(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの暖機を効率的に行うことである。【解決手段】流路切替機構１４ａによってクーラントの流路状態を切り替え、クーラント供給用内部流路を中間マニホールドよりも上流側で遮断することにより、第１の燃料電池セル群１１に対してのみクーラントを供給することが可能となる。さらに、ガス偏向機構１２ａによって酸化剤ガスの偏向状態を制御することにより、外部マニホールドに近接された燃料電池セルへの酸化剤ガスの供給流量を制限することで、その燃料電池セルの発熱量を増大させることが可能となる。【選択図】図１
2007103061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルを、複数積層した燃料電池セル群と、
前記燃料電池セルの積層方向において、前記燃料電池セル群の一方の端部に配置される外部マニホールドと、
前記燃料電池セル群を、第１の燃料電池セル群と、第２の燃料電池セル群とに分割する位置に介装される中間マニホールドと、
前記外部マニホールドに設けられた冷却媒体入口部から導入された冷却媒体を前記燃料電池セルのそれぞれに供給する供給用流路と、前記燃料電池セルのそれぞれに供給された前記冷却媒体を、前記外部マニホールドに設けられた冷却媒体出口部へと排出する排出用流路とで構成される冷却用内部流路と、
前記中間マニホールドに設けられ、前記冷却用内部流路の前記供給用流路と前記排出用流路との間を接続する内部バイパス流路と、
前記冷却用内部流路の前記供給用流路と、前記内部バイパス流路との接続部位において、前記冷却媒体の流路状態を切り替える第１の切替手段と、
前記外部マニホールドに設けられた酸化剤ガス入口部から導入された前記酸化剤ガスを、個々の前記燃料電池セルの酸化剤極に供給する酸化剤ガス供給用内部流路と、
前記酸化剤ガス入口部において、前記酸化剤ガス供給用内部流路へと導入される前記酸化剤ガスの流れを偏向させることにより、前記外部マニホールドに近接する前記燃料電池セルへの前記酸化剤ガスの供給流量を制限するガス偏向手段と、
前記第１の切替手段による前記冷却媒体の流路状態と、前記ガス偏向手段による酸化剤ガスの偏向状態とを制御することにより、前記燃料電池セル群を暖機する暖機処理を行う暖機制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却媒体を冷却する冷却手段と、
前記外部マニホールドの前記冷却媒体出口部から、前記冷却手段を経由して、前記外部マニホールドの前記冷却媒体入口部へと前記冷却媒体が循環する冷却用外部流路と、
前記冷却用外部流路において、前記冷却手段を経由する循環流路と比較して、循環流路の容積が小さくなるように、前記冷却手段をバイパスさせる外部バイパス流路と、
前記外部バイパス流路と前記冷却用外部流路との接続部位に設けられ、前記外部マニホールドの前記冷却媒体出口部から排出された前記冷却媒体の流路を、前記外部バイパス流路側と、前記冷却手段側とで切り替える第２の切替手段とをさらに有し、
前記暖機制御手段は、前記暖機処理において、前記第２の切替手段を制御することにより、前記冷却媒体の流路を前記外部バイパス流路側に切り替えることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セル群の暖機状態を判断する暖機判断手段をさらに有し、
前記暖機制御手段は、前記暖機判断手段によって判断された前記燃料電池セル群の暖機状態に基づいて、前記第１の切替手段による前記冷却媒体の流路状態と、前記ガス偏向手段による酸化剤ガスの偏向状態とを制御することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記外部マニホールドの前記冷却媒体入口部に供給される前記冷却媒体の温度を、冷却媒体入口温度として検出する冷却媒体入口温度検出手段と、
前記外部マニホールドの前記冷却媒体出口部から排出される前記冷却媒体の温度を、冷却媒体出口温度として検出する冷却媒体出口温度検出手段と、
前記燃料電池セル群の前記外部マニホールドと対向する端部側の温度を、スタック端部温度として検出するスタック端部温度検出手段とをさらに有し、
前記暖機判断手段は、前記冷却媒体入口温度と、前記冷却媒体出口温度と、前記スタック端部温度とに基づいて、前記燃料電池セル群の暖機状態を判断することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の切替手段は、前記冷却用内部流路の前記供給用流路において、前記中間マニホールドよりも上流側を、下流側に連通させる第１のモードと、前記中間マニホールド以降への前記冷却媒体の流れを遮断させる第２のモードとを切替可能な動作モードとして有し、
前記ガス偏向手段は、前記外部マニホールドに近接した前記燃料電池セルへの前記酸化剤ガスの供給流量を制限する程度に応じて、前記酸化剤ガスの偏向状態を調整可能となっており、
前記暖機制御手段は、前記暖機処理において、前記第１の切替手段の動作モードを前記第２のモードに制御するとともに、前記酸化剤ガスの供給流量を制限する程度が最大となるように、前記ガス偏向手段による前記酸化剤ガスの偏向状態を制御することを特徴とする請求項３または４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の切替手段は、前記冷却用内部流路の前記供給用流路において、前記中間マニホールドよりも上流側を、前記内部バイパス流路に連通させる第３のモードと、前記中間マニホールドよりも上流側を、下流側と前記内部バイパス流路とに連通させる第４のモードとを切替可能な動作モードとしてさらに有し、
前記暖機制御手段は、前記暖機状態判断手段によって判断された前記燃料電池スタックの暖機状態に基づいて、前記第１の切替手段の動作モードを前記第２のモードから前記第３のモードまたは前記第４のモードに制御するとともに、前記酸化剤ガスの供給流量を制限する程度を減少させるように、前記ガス偏向手段による前記酸化剤ガスの偏向状態を制御することを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
【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】
従来より、燃料極および酸化剤極に反応ガスをそれぞれ供給することにより、反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う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、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを主体に構成されている。燃料電池スタック（具体的には、個々の燃料電池セル）には、最適な運転（発電）を行うための温度領域が存在する関係上、起動時に燃料電池スタックが低温状態の場合には、これを暖機するための暖機処理を行う必要がある。例えば、特許文献１には、低温時の起動性能を向上させるために、反応ガスの供給圧力或いは供給流量を低下させて、燃料電池の発電効率を低下させることにより、スタックの発熱量を増大させて暖機時間を短縮する暖機処理の手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池システムには、反応に伴い発熱した個々の燃料電池セルを冷却するための冷却系が備えられており、この冷却系は、一般に、燃料電池スタックと冷却手段（例えば、ラジエータ）との間で冷却媒体（例えば、冷却液）を循環させる構成となっている。低温起動時には、冷却液の循環を停止させた状態において暖機処理を行うが、暖機を含む起動処理が完了した後に冷却液の循環を開始した場合には、外部の配管内において冷却された状態の冷却液が燃料電池スタックに供給される。そのため、暖機された燃料電池スタックの温度を低下させてしまうという問題がある。
【０００４】
一方で、燃料電池スタックの暖機とともに冷却液を循環させて、燃料電池スタックの発熱によって冷却液も同時に温めることも考えられる。しかしながら、このケースでは、一旦、燃料電池スタックの発熱によって温められた冷却液が外部の配管によって冷やされ、この冷やされた冷却液が再度燃料電池スタックへと循環されるため、燃料電池スタックの暖機に要する時間が長くなってしまうという不都合がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの暖機を効率的に行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池セル群と、外部マニホールドと、中間マニホールドと、冷却用内部流路と、内部バイパス流路と、第１の切替手段と、酸化剤ガス供給用内部流路と、ガス偏向手段と、暖機制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池セル群は、電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルが、複数積層されている。外部マニホールドは、燃料電池セルの積層方向において、燃料電池セル群の一方の端部に配置される。中間マニホールドは、燃料電池セル群を、第１の燃料電池セル群と、第２の燃料電池セル群とに分割する位置に介装される。冷却用内部流路は、外部マニホールドに設けられた冷却媒体入口部から導入された冷却媒体を燃料電池セルのそれぞれに供給する供給用流路と、燃料電池セルのそれぞれに供給された冷却媒体を、外部マニホールドに設けられた冷却媒体出口部へと排出する排出用流路とで構成される。内部バイパス流路は、中間マニホールドに設けられ、冷却用内部流路の供給用流路と排出用流路との間を接続する。第１の切替手段は、冷却用内部流路の供給用流路と、内部バイパス流路との接続部位において、冷却媒体の流路状態を切り替える。酸化剤ガス供給用内部流路は、外部マニホールドに設けられた酸化剤ガス入口部から導入された酸化剤ガスを、個々の燃料電池セルの酸化剤極に供給する。ガス偏向機構は、酸化剤ガス入口部において、酸化剤ガス供給用内部流路へと導入される酸化剤ガスの流れを偏向させることにより、外部マニホールドに近接する燃料電池セルへの酸化剤ガスの供給流量を制限する。制御手段は、第１の切替手段による冷却媒体の流路状態と、ガス偏向手段による酸化剤ガスの偏向状態とを制御することにより、燃料電池セル群を暖機する暖機処理を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１の切替手段によって冷却媒体の流路状態を切り替え、冷却用内部流路の供給用流路を、中間マニホールド以降への流れを遮断することにより、外部マニホールドと中間マニホールドとの間に積層される燃料電池セル群に対してのみ冷却媒体を供給することが可能となる。さらに、ガス偏向手段によって酸化剤ガスの偏向状態を制御することにより、外部マニホールドに近接された燃料電池セルへの酸化剤ガスの不足が生じ、発電効率が低下するので、その燃料電池セルの発熱量を増大させることが可能となる。これにより、燃料電池セル群の暖機を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池システムは、発電電力を発生する燃料電池スタック１０を備えており、この燃料電池スタック１０は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル群１１を主体に構成されている。
【０００９】
個々の燃料電池セルの積層方向おいて、燃料電池セル群１１の両端部にはエンドプレート１３がそれぞれ配置されており、燃料電池スタック１０は、この一対のエンドプレート１３によって両側から挟み込まれる格好となっている（なお、一方のエンドプレートについては、便宜上、その図示を省略している）。また、燃料電池セル群１１の一方の端部には、図示しないエンドプレートを介して、外部マニホールド１２が配置されている。さらに、本実施形態では、燃料電池セル群１１の間（例えば、外部マニホールド１２から、全長の１／４〜１／３程度の位置）には、中間マニホールド１４が介装されている。この中間マニホールド１４が設けられることにより、燃料電池セル群１１は、その位置を境に、外部マニホールド１２側と近接した位置に積層される第１の燃料電池セル群１１と、外部マニホールド１２と離間した位置に積層される第２の燃料電池セル群１１とに分割される。
【００１０】
燃料電池セル群１１を構成する個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。燃料電池セルは、燃料極に燃料ガスが供給され、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。燃料ガスとしては、例えば、水素を用いることができ、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素を含む空気を用いることができる。
【００１１】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１０を冷却する冷却系２０と、燃料電池スタック１０を構成する個々の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するとともにこれを排出する酸化剤ガス系（図示せず）と、燃料電池セル群１１を構成する個々の燃料電池セルに燃料ガスを供給するとともにこれを排出する燃料ガス系（図示せず）とが備えられている。
【００１２】
冷却系２０は、燃料電池スタック１０を冷却する冷却液（以下、「クーラント」という）が循環するクーラント循環流路（冷却用外部流路）を備えている。このクーラント循環流路には、冷却手段としてのラジエータ２１が設けられており、クーラント循環流路内のクーラントは、ラジエータ２１によって冷却される。冷却されたクーラントは、クーラント循環流路に設けられたクーラント用ポンプ２２によって燃料電池スタック１０へと供給される。燃料電池スタック１０へと供給されたクーラントは、外部マニホールド１２から燃料電池スタック１０の内部へと供給され、後述する冷却用内部流路を介してその内部を循環した後に、外部マニホールド１２からクーラント循環流路へと排出される。燃料電池スタック１０の冷却によって温められたクーラントは、クーラント循環流路を経由して、ラジエータ２１へと供給される。
【００１３】
クーラント循環流路には、燃料電池スタック１０から排出されたクーラントを、ラジエータ２１をバイパスして燃料電池スタック１０へと循環させるバイパス流路（外部バイパス流路）が設けられている。このバイパス流路は、燃料電池スタック１０からのクーラントの排出側と、クーラント用ポンプ２２の上流側とを接続しており、ラジエータ２１を経由した際の循環流路と比較して、このバイパス流路を経由する流路の方が流路容積が小さくなるようなレイアウトとなっている。クーラント排出側のクーラント循環流路と、バイパス流路との接続部位には、三方弁（第２の切替手段）２３が設けられている。この三方弁２３により、燃料電池スタック１０から排出されたクーラントの流路を、ラジエータ２１へと繋がるクーラント循環流路側と、バイパス流路側との間で切り替えることができる。この三方弁２３によるクーラント流路の切り替えは、制御部３０によって制御される。
【００１４】
ここで、本実施形態の特徴の一つである燃料電池スタック１０内部の冷却構造について説明する。図２から図５は、燃料電池スタック１０内部の冷却構造の説明図であり、中間マニホールド１４を含む燃料電池スタック１０の概略断面図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０の内部には、個々の燃料電池セルにクーラントを供給する供給用流路（以下、「クーラント供給用内部流路」という）１５が内部マニホールドによって構成されており、このクーラント供給用内部流路１５は、外部マニホールド１２に設けられたクーラント入口部を介してクーラント循環流路と連通している。クーラント供給用内部流路１５は、燃料電池セルの積層方向にかけて、各燃料電池セルおよび中間マニホールド１４を貫通した上で、クーラント入口部からエンドプレート１３まで延在している。また、燃料電池スタック１０の内部には、個々の燃料電池セルへと供給されたクーラントが排出される排出用流路としてクーラント排出用内部流路が内部マニホールドによって構成されており、このクーラント排出用内部流路は、外部マニホールド１２に設けられたクーラント出口部を介してクーラント循環流路と連通している。クーラント排出用内部流路は、燃料電池セルの積層方向にかけて、各燃料電池セルおよび中間マニホールド１４を貫通した上で、クーラント出口部からエンドプレート１３まで延在している。
【００１６】
上述したように、個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体１１ａを、燃料極側に配置される燃料極セパレータ１１ｂと、酸化剤極側に配置される酸化剤極セパレータ１１ｃとによって挟持することにより構成されている。このような燃料電池セル群１１において、隣接する一対の燃料電池セルの間には、すなわち、一方の燃料電池セルの燃料極セパレータ１１ｂと、他方の燃料電池セルの酸化剤極セパレータ１１ｃとの間には、クーラント供給用内部流路１５とクーラント排出用内部流路との間を連通し、個々の燃料電池セルに対してクーラントを供給するためのセル冷却流路１５ａが形成されている。また、中間マニホールド１４と、これに隣接する燃料電池セルとの間には、すなわち、中間マニホールド１４と、燃料電池セルの燃料極セパレータ１１ｂ（または、酸化剤極セパレータ１１ｃ）との間には、クーラント供給用内部流路１５とクーラント排出用内部流路との間を連通し、燃料電池セルに対してクーラントを供給するためのセル冷却流路１５ａが形成されている。
【００１７】
中間マニホールド１４には、クーラント供給用内部流路１５と、クーラント排出用内部流路とを接続する内部バイパス流路１４ｂがその内部に設けられている。この内部バイパス流路１４ｂとクーラント供給用内部流路１５との接続部位には、流路切替機構（第１の切替手段）１４ａが設けられており、燃料電池スタック１０内部のクーラントの流路状態を切り替えることができるようになっている。
【００１８】
流路切替機構１４ａは、中間マニホールド１４に対して回転可能に挿入された円柱状の可動部と、これを駆動するアクチュエータ（図示せず）とで構成されており、可動部の内部には、クーラント供給用内部流路１５の中間マニホールド１４よりも上流側と、その下流側と、内部バイパス流路１４ｂとそれぞれ接続可能なＴ字形状の流路が形成されている。流路切替機構１４ａは、アクチュエータによって可動部を回転駆動させ、Ｔ字形状の流路と、クーラント供給用内部流路１５または内部バイパス流路１４ｂとの連通状態を切り替えることにより、クーラントの流路状態を設定することができる。流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態は、後述するように、制御部３０によって制御される。
【００１９】
流路切替機構１４ａは、以下に示すように、切替可能な複数の動作モード（本実施形態では、４つの動作モード）に従って動作する。なお、本明細書では、クーラント供給用内部流路１５の中間マニホールド１４よりも上流側を、単に、クーラント供給用内部流路１５の上流側といい、クーラント供給用内部流路１５の中間マニホールド１４よりも下流側を、単に、クーラント供給用内部流路１５の下流側という。
【００２０】
図２に示すように、流路切替機構１４ａは、通常時には、クーラント供給用内部流路１５の上流側をその下流側と連通させるように、可動部の回転角度が設定される（第１のクーラントモード）。このケースでは、クーラント入口部より導入されたクーラントは、クーラント供給用内部流路１５を介して、外部マニホールド１２側からエンドプレート１３側へと流れ、これにともない、第１および第２の燃料電池セル群１１に形成された個々のセル冷却流路１５ａにそれぞれ供給される。一方、図３に示すように、流路切替機構１４ａは、起動時には必要に応じて、クーラント供給用内部流路１５の上流側を、その下流側および内部バイパス流路１４ｂの各々と連通させないように、可動部の回転角度が設定される（第２のクーラントモード）。このケースでは、中間マニホールド１４以降へのクーラントの流れが遮断されるため、クーラント入口部より導入されたクーラントは、クーラント供給用内部流路１５の上流側のみを流れ、第１の燃料電池セル群１１に形成された個々のセル冷却流路１５ａへと供給される。
【００２１】
また、後述する第２の実施形態において詳述するように、流路切替機構１４ａは、図４に示すように、起動時には必要に応じて、クーラント供給用内部流路１５の上流側を内部バイパス流路１４ｂに連通させるように、可動部の回転角度が設定される（第３のクーラントモード）。このケースでは、クーラント入口部より導入されたクーラントは、クーラント供給用内部流路１５の上流側を流れつつ、第１の燃料電池セル群１１に形成される個々のセル冷却流路１５ａへとそれぞれ供給される。これとともに、導入されたクーラントは、第２の燃料電池セル群１１側へは流れることなく、中間マニホールド１４において内部バイパス流路１４ｂへとバイパスされる。さらに、図５に示すように、流路切替機構１４ａは、起動時には必要に応じて、クーラント供給用内部流路１５の上流側を、その下流側と内部バイパス流路１４ｂとにそれぞれ連通させるように、可動部の回転角度が設定される（第４のクーラントモード）。このケースでは、クーラント入口部より導入されたクーラントは、クーラント供給用内部流路１５の上流側を流れつつ、第１の燃料電池セル群１１に形成される個々のセル冷却流路１５ａへとそれぞれ供給される。これとともに、導入されたクーラントは、中間マニホールド１４において内部バイパス流路１４ｂへとバイパスされるとともに、クーラント供給用内部流路１５の下流側へと流れ、第２の燃料電池セル群１１に形成される個々のセル冷却流路１５ａへとそれぞれ供給される。なお、この第４のクーラントモードでは、上記の連通状態を満たす範囲内で、可動部の回転角度を可変に設定することができる。
【００２２】
酸化剤ガス系において、酸化剤ガスは、大気がコンプレッサやブロア等の空気供給手段によって、酸化剤ガス供給流路（図示せず）を介して燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０へと供給された酸化剤ガスは、冷却液と同様に、外部マニホールド１２側から燃料電池スタック１０の内部へと供給され、酸化剤ガス用内部流路を介してその内部を循環した後に、外部マニホールド１２から酸化剤ガス排出流路（図示せず）へと排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１０の内部には、個々の燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用内部流路が内部マニホールドによって構成されており、この酸化剤ガス供給用内部流路は、外部マニホールド１２に形成された酸化剤ガス入口部を介して、外部流路である酸化剤ガス供給流路と連通している。酸化剤ガス供給用内部流路は、燃料電池セルの積層方向にかけて、各燃料電池セルおよび中間マニホールド１４を貫通した上で、酸化剤ガス入口部からエンドプレート１３まで延在している。また、燃料電池スタック１０の内部には、個々の燃料電池の酸化剤極に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出用内部流路が内部マニホールドによって構成されており、この酸化剤ガス排出用内部流路は、外部マニホールド１２に形成された酸化剤ガス出口部を介して、外部流路である酸化剤ガス排出流路と連通している。酸化剤ガス排出用内部流路は、燃料電池セルの積層方向にかけて、各燃料電池セルおよび中間マニホールド１４を貫通した上で、酸化剤ガス出口部からエンドプレート１３まで接続している。
【００２４】
図６は、酸化剤極セパレータ１１ｃの反応面側の説明図であり、図７から図９は、酸化剤ガス供給用内部流路の説明図である。酸化剤極セパレータ１１ｃは、酸化剤ガス供給用内部流路１６から導入される酸化剤ガスを、酸化剤極で反応させるための反応面（酸化剤ガス流路）１７を備えており、この反応面１７には、酸化剤ガスの流れをガイドするための流路溝（図示せず）が形成されている。酸化剤ガス供給用内部流路からの酸化剤ガスは、この流路溝に従って酸化剤極の全体へと導かれた後に、酸化剤ガス排出用内部流路１８へと到達し、この酸化剤ガス排出用内部流路１８を介して排出される。個々の燃料電池セルを構成する酸化剤極セパレータ１１ｃは、これと同様の構成を備えており、酸化剤ガス供給用内部流路１６を流れる酸化剤ガスは、それぞれの燃料電池セルの酸化剤極へと供給されるようになっている。
【００２５】
図７から図９に示すように、外部マニホールド１２の酸化剤ガス入口部１２ｂには、酸化剤ガスの流れを偏向するガス偏向機構１２ａが設けられている。ガス偏向機構１２ａは、外部マニホールド１２に近接する燃料電池セル（その周辺の燃料電池セル群も含む）への酸化剤ガスの供給流量が制限されるように、酸化剤ガス入口部１２ｂにおいてその流れを偏向するものである。ガス偏向機構１２ａとしては、種々の手法を採用することができるが、本実施形態では、酸化剤ガス入口部１２ｂの内側面において、ガイド部材を起立させることにより、その流れを機械的に偏向する構造となっている。このガス偏向機構１２ａは、ガイド部材として機能する可動部と、この可動部を駆動するアクチュエータ（図示せず）とで構成されている。
【００２６】
可動部は、その断面形状が半円形状を有する部材であり、酸化剤ガス入口部１２ｂの側面と一体化したフラットな状態から、内側面に対して垂直に起立した状態の間で回動可能となっている。ガス偏向機構１２ａは、アクチュエータによって可動部を回転駆動させ、酸化剤ガス入口部１２ｂの内側面に対する可動部の起立角度を調整することにより、酸化剤ガスの偏向状態が可変となっている。ガス偏向機構１２ａによる酸化剤ガスの偏向状態は、後述するように、制御部３０によって制御される。
【００２７】
図７に示すように、ガス偏向機構１２ａは、通常時には、酸化剤ガス入口部１２ｂの内側面と一体化してフラットとなるように、可動部の起立角度が設定される（第１の偏向モード）。このケースでは、燃料電池スタック１０に導入された酸化剤ガスは、ガス偏向機構１２ａによってその流れが妨げられることがないので、偏向することなく、酸化剤ガス供給用内部流路１６へと流れる。この酸化剤ガス供給用内部流路１６へと流れた酸化剤ガスは、それぞれの燃料電池セルにおいて、順次、酸化剤極セパレータ１１ｃによって形成される反応面（酸化剤ガス流路）１７へと導入される。一方、図８に示すように、ガス偏向機構１２ａは、起動時には必要に応じて、酸化剤ガス入口部１２ｂの側面に対して略垂直に起立するように、可動部の起立角度が設定される（第２の偏向モード）。このケースでは、燃料電池スタック１０に導入された酸化剤ガスは、まず、酸化剤ガス入口部１２ｂにおいて、ガス偏向機構１２ａによってその流れが妨げられ、ガス偏向機構１２ａの取り付け位置（すなわち、酸化剤極の反応面（酸化剤ガス流路）１７側）から離間する方向へと偏向させられる。酸化剤ガスは、その後、酸化剤ガス供給用内部流路１６へと流れていき、個々の燃料電池セルの酸化剤極へと順次導入される。この場合、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口部１２ｂにおいてその流れが偏向されている関係上、外部マニホールド１２に近接した燃料電池セルほど、酸化剤ガスが供給され難くなり、それらよりも下流側に位置する燃料電池セルと比較して、酸化剤ガスの供給流量が制限される。この偏向状態において、酸化剤ガスの供給流量流路を制限する程度は最大となる。
【００２８】
また、図９に示すように、ガス偏向機構１２ａは、起動時には必要に応じて、酸化剤ガス入口部１２ｂの側面に対して所定の角度となるように、可動部の起立角度が設定される。ここで、所定の角度は、第１の偏向モードにおけるフラットな状態と、第２の偏向モードにおける略垂直な状態との間の任意の角度となっている（第３の偏向モード）。このケースでは、燃料電池スタック１０に導入された酸化剤ガスは、まず、酸化剤ガス入口部１２ｂにおいて、ガス偏向機構１２ａによってその流れが妨げられ、ガス偏向機構１２ａの取り付け位置と対向する方向へと偏向させられる。酸化剤ガスは、その後、酸化剤ガス供給用内部流路１６へと流れていき、個々の燃料電池セルの酸化剤極へと順次導入される。この場合、酸化剤ガスは、その流れが酸化剤ガス入口部１２ｂにおいて偏向されている関係上、外部マニホールド１２に近い位置に存在する燃料電池セルほど酸化剤ガスが供給され難くなり、それらよりも下流側に位置する燃料セルと比較して、供給される酸化剤ガスの流量が制限される。なお、この第３の偏向モードは、上述の第２の偏向モードと比較して、可動部の起立角度がガスの流れに対して緩やかな状態となっているため、酸化剤ガスの供給流量を制限する程度は、第２の偏向モードの状態よりも減少される。
【００２９】
燃料ガス系において、燃料ガスは、高圧水素ボンベ等の貯蔵手段に貯蔵された状態から、燃料ガス供給流路を介して燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０へと供給された水素は、酸化剤ガスと同様に、外部マニホールド１２側から燃料電池スタック１０の内部へと供給され、燃料ガス用内部流路を介してその内部を循環した後に、外部マニホールド１２側から燃料ガス排出流路へと排出される。なお、燃料ガス系に関するガスの経路は、内部マニホールドによって構成される内部流路およびセパレータの構造について、詳細寸法は異なるが酸化剤ガス系のそれと基本的に同じ形状であり、その詳細については説明を省略する。
【００３０】
再び図１を参照するに、制御部３０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１０の発電制御を行う。本実施形態との関係において、制御部３０は、燃料電池スタック１０の起動処理の一環である暖機処理として、制御信号を各種のアクチュエータ（図示せず）に出力することにより、主として、ガス偏向機構１２ａ、流路切替機構１４ａ、三方弁２３を制御する。この制御部３０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御部３０には、燃料電池システムの運転状態を検出すべく、各種のセンサ３１〜３３からの検出信号が入力されている。温度センサ（以下、「クーラント入口温度センサ」という）３１は、燃料電池スタック１０（すなわち、外部マニホールド１２のクーラント入口部）に供給されるクーラントの温度（クーラント入口温度）Ｔinを検出し、温度センサ３２（以下、「クーラント出口温度センサ」という）は、燃料電池スタック１０（すなわち、外部マニホールド１２のクーラント出口部）から排出されるクーラントの温度（クーラント出口温度）Ｔoutを検出する。温度センサ（以下「スタック端部温度センサ」という）３３は、燃料電池スタック１０の外部マニホールド１２と対向する端部側、すなわち、エンドプレート１３側の温度（スタック端部温度）Ｔsを検出する。
【００３１】
図１０は、制御部３０のブロック構成図である。制御部３０は、これを機能的に捉えた場合、暖機判断部（暖機判断手段）３０ａと、クーラント制御部（暖機制御手段）３０ｂと、ガス制御部（暖機制御手段）３０ｃとを有している。暖機判断部３０ａは、各種の温度センサ３１〜３３の検出結果に基づいて、燃料電池スタック１０の暖機状態を判断する。クーラント制御部３０ｂは、流路切替機構１４ａおよび三方弁２３を制御することにより、燃料電池スタック１０を冷却するクーラントの流路状態を制御する。ガス制御部３０ｃは、ガス偏向機構１２ａを制御することにより、燃料電池スタック１０へ供給される酸化剤ガスの偏向状態を制御する。
【００３２】
このような構成を有する燃料電池システムにおいて、以下、その起動処理について説明する。図１１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオンされることによって呼び出され、制御部３０によって実行される。
【００３３】
まず、ステップ１０において、制御部３０は、システムの起動を行う。システムが起動された状態において、流路切替機構１４ａは第１のクーラントモードに設定され、ガス偏向機構１２ａは第１の偏向モードに設定されている。また、クーラント循環流路における三方弁２３は、燃料電池スタック１０から排出されたクーラントの流路が、ラジエータ２１へと繋がるクーラント循環流路側に設定されている。
【００３４】
ステップ１１において、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、温度センサ３１，３２の検出値を読み込み、クーラント入口温度Ｔinが第１の温度閾値Ｔth1よりも小さく、かつ、クーラント出口温度Ｔoutが第１の温度閾値Ｔth1よりも小さいか否かを判定する。この第１の温度閾値Ｔth1は、燃料電池スタック１０の暖機を行う必要があることを、クーラントの温度をベースに判断するための値であり、暖機処理が不必要と認められるクーラント温度の下限値が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。このステップ１１において否定判定された場合には、ステップ１２に進む。一方、ステップ１１において肯定判定された場合には、ステップ１３以降の処理に進む。
【００３５】
ステップ１１の否定判定に続くステップ１２において、制御部３０は、燃料電池スタック１０を暖機する暖機処理を行わずに、通常の起動処理を行い、後述するステップ１９に進む。通常の起動処理としては、例えば、反応ガス（すなわち、燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給を開始し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを所定の圧力状態まで上昇させて、燃料電池スタック１０から所定の負荷電流を取り出せるような状態にまで到達させること等が挙げられる。
【００３６】
これに対して、ステップ１１の肯定判定に続くステップ１３において、制御部３０は、暖機処理を行うためのモード（暖機モード）への移行処理を行う。具体的には、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、流路切替機構１４ａを第２のクーラントモードに制御するとともに、クーラント循環流路におけるクーラントがラジエータ２１をバイパスするように、すなわち、クーラントの流路がバイパス流路側となるように三方弁２３を制御する。これとともに、制御部３０（ガス制御部３０ｃ）は、ガス偏向機構１２ａを第２の偏向モードに制御する。
【００３７】
ステップ１４において、制御部３０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を開始し、ステップ１５において、制御部３０は、燃料電池スタック１０から負荷電流の取出しを行う。そして、ステップ１６において、制御部３０は、クーラント用ポンプ２２を作動させ、クーラント循環流路におけるクーラントの循環を開始する。
【００３８】
ステップ１７において、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、温度センサ３１，３２の検出値を読み込み、暖機処理の終了判定を行う。具体的には、制御部３０は、クーラント入口温度Ｔinが第２の温度閾値Ｔth2よりも大きく、かつ、クーラント入口温度Ｔinとクーラント出口温度Ｔoutとの差（以下「入出温度差」という）ΔＴがテーブル温度閾値Ｔthtよりも小さいか否かを判定する。ここで、第２の温度閾値Ｔth2は、暖機処理が必要と認められるようなクーラント入口温度Ｔinの最大値を規定したものであり、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。
【００３９】
第２の温度閾値Ｔth2は、上述した第１の温度閾値Ｔth1との比較において、その値が第1の閾値以下となる関係となっている（Ｔth2≦Ｔth1）。また、テーブル温度閾値Ｔthtは、ＲＯＭ等に格納されたテーブルを参照することにより、ステップ１５において取出した負荷電流に基づいて、一義的に決定される。このテーブルには、燃料電池スタック１０から負荷電流を取出した状態において、暖機処理が必要と認められるケースでの入出温度差ΔＴの最小値と、その際に取出している負荷電流との対応関係を実験やシミュレーションを通じて予め取得した上で、これらの関係が記述されている。このテーブルは、例えば、図１２に示すように、負荷電流が小さい状態では、入出温度差ΔＴの最小値も小さい値となっており、負荷電流がある程度大きくなると、負荷電流の増加に対応して、入出温度差ΔＴの最小値も増加する。そして、負荷電流が一定値以上大きい状態では、所定の値に収束するような傾向となっている。
【００４０】
ステップ１７において肯定判定された場合には、ステップ１８に進む。一方、ステップ１７において否定判定された場合には、所定の時間後にステップ１７に戻り、再度暖機処理の終了判定を行う。
【００４１】
ステップ１８において、制御部３０は、暖機処理にともない移行した暖機モードを終了し、ステップ１２と同様に、通常の起動処理行う。暖機モードを終了する場合には、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、流路切替機構１４ａを第1のクーラントモードに制御するとともに、クーラント循環流路における三方弁２３を、ラジエータ２１側となるように制御する。また、制御部３０（ガス制御部３０ｃ）は、ガス偏向機構１２ａを第１の偏向モードに制御する。そして、ステップ１８における起動処理が終了すると、ステップ１９において、制御部３０は、通常の発電モードを開始して、起動処理を終了する。
【００４２】
このように本実施形態によれば、外部マニホールド１２に設けられたクーラント入口部からクーラント供給用内部流路１５を介して、個々の燃料電池セルへとクーラントが供給されている。個々の燃料電池セルへと供給されたクーラントは、クーラント排出用内部流路を介して、外部マニホールド１２に設けられたクーラント出口部へと排出される。燃料電池スタック１０の中間マニホールド１４には、クーラント供給用内部流路１５とクーラント排出用内部流路との間を接続する内部バイパス流路１４ｂが備えられている。この内部バイパス流路１４ｂと、クーラント供給用内部流路１５との接続部位には、クーラントの流路を、燃料電池スタック１０の内部で切り替える流路切替機構１４ａが設けられている。ここで、中間マニホールド１４は、燃料電池セル群１１を、外部マニホールド１２に近接した第１の燃料電池セル群１１と、外部マニホールド１２から離間した第２の燃料電池セル群１１とに分割する位置に介装されている。
【００４３】
また、本実施形態によれば、外部マニホールド１２に設けられた酸化剤ガス入口部１２ｂから、酸化剤ガス供給用内部流路１６を介して、個々の燃料電池セルへと酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス入口部１２ｂには、ガス偏向機構１２ａが設けられており、外部マニホールド１２側に近接する燃料電池セル（或いは、近接するセル群）への酸化剤ガスの流量が制限されるように、酸化剤ガスの流れを偏向させることができる。
【００４４】
このような構成では、流路切替機構１４ａによってスタック内部のクーラントの流路状態を切り替えることが可能となる。クーラント供給用内部流路１５を、その上流側で遮断することにより、特定の燃料電池セル群１１（本実施形態では、第１の燃料電池セル群）に対してのみクーラントを供給することが可能となる。さらに、ガス偏向機構１２ａによって酸化剤ガスの偏向状態を制御することにより、外部マニホールド１２に近接された燃料電池セル（すなわち、第１の燃料電池セル群１１に含まれる燃料電池セル）への酸化剤ガスの供給流量が制限される。そのため、これらの燃料電池セルにおいて酸化剤ガスの不足が生じ、発電効率が低下するので、その燃料電池セルの発熱量を増大させることが可能となる。これにより、燃料電池セル群１１を構成する特定の燃料電池セルの発熱量を増加させることができる。そのため、流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態と、ガス偏向機構１２ａによる酸化剤ガスの偏向状態とを適切に制御することにより、燃料電池スタック１０の暖機を効率的に行うことができる。
【００４５】
具体的には、制御部３０は、暖機処理を行う場合には、流路切替機構１４ａを第２のクーラントモードに制御し、ガス偏向機構１２ａを第２の偏向モードに制御する。これにより、また、クーラント供給用内部流路１５が中間マニホールド１４において遮断されるので、クーラントが、発熱量が増大した第１の燃料電池セル群１１を循環する構成となる。そのため、一旦外部に排出されたクーラントが外気よって冷却された場合であっても、暖機時には第２の燃料電池セル群１１へはクーラントが供給されないので、それが冷やされてしまうといった不都合を解消することができる。また、クーラントが循環する第１の燃料電池セル群１１については、外部マニホールド１２と近い位置に存在する燃料電池セルの発熱量が増大されるので、クーラントによって冷やされてしまうといった事態を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック１０の暖機を効率的に行うことができる。
【００４６】
なお、ガス偏向機構１２ａを第２の偏向モードに制御した場合には、第２の燃料電池セル群１１への酸化剤ガスの流量が増加するため、この第２の燃料電池セル群１１における生成水が増える可能性がある。しかしながら、流路切替機構１４ａが第２のクーラントモードに制御されているため、クーラントが第２の燃料電池セル群１１側を循環しないため、氷点下での起動時に、冷えたクーラントによって生成水が凍結してしまうといった事態を抑制することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、燃料電池システムは、クーラントを冷却するラジエータ２１と、外部マニホールド１２のクーラント出口部からラジエータ２１を介して外部マニホールド１２のクーラント入口部へとクーラントが循環するクーラント循環流路とを備えている。このクーラント循環流路には、クーラントがラジエータ２１をバイパスするように、外部バイパス流路が接続されており、外部バイパス流路とクーラント循環流路との接続部位には、燃料電池スタック１０から排出されたクーラントの流路を、外部バイパス流路側と、ラジエータ２１側とで切り替える三方弁２３が設けられている。この場合、制御部３０は、暖機処理において、三方弁２３を制御することにより、クーラントの流路を外部バイパス流路側に切り替えるようになっている。これにより、暖機処理時には、熱交換器であるラジエータ２１をバイパスさせることにより、配管容積が小さくなるので、クーラントを温めるために必要な熱容量を減少させることが可能となる。そのため、暖機時間を短縮し、暖機処理の効率化を図ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理について説明する。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理が、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック１０の暖機状態に応じて、流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態、および、ガス偏向機構１２ａによる酸化剤ガスの偏向状態とを制御することにある。なお、システムの具体的な構成については、第１の実施形態と同様であるため、同一の構成については同一符号を付することにより、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
以下、図１３は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオンされることによって呼び出され、制御部３０によって実行される。ステップ２０〜ステップ２６では、第１の実施形態におけるステップ１０〜ステップ１６に示す処理のように、制御部３０は、システムを起動し、燃料電池スタック１０の暖機が必要な場合には（Ｔin＜Ｔth1 かつ Ｔout＜Ｔth1）、暖機モードに移行し、反応ガスの供給および負荷電流の取出し行うとともに、クーラントの循環を行う。
【００５０】
ステップ２７において、制御部３０は、燃料電池スタック１０の暖機状態を判定するとともに、この判定結果に応じた暖機制御を行う。図１４は、ステップ２７における燃料電池スタック１０の暖機制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ２７ａにおいて、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、各温度センサ３１〜３３の検出値を読み込む。
【００５１】
ステップ２７ｂにおいて、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、クーラント入口温度Ｔinが第２の温度閾値Ｔth2よりも小さく、入出温度差ΔＴが第３の温度閾値Ｔth3よりも小さく、かつ、スタック端部温度Ｔsが第４の温度閾値Ｔth4よりも小さいか否かを判断する。このステップ２７ｂで用いられる個々の温度閾値は、燃料電池スタック１０の暖機状態を判断するために、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。具体的には、第２の温度閾値Ｔth2は、燃料電池スタック１０から排出されて、クーラント循環流路を循環して戻ってくるクーラントが外気によって冷却されたか否かを判断するための値である。また、第３の温度閾値Ｔth3は、クーラント入口部側の燃料電池セル群、すなわち、第１の燃料電池セル群１１の発熱によって、クーラントが十分に温まっているか否かを判断するための値である。さらに、第４の温度閾値Ｔth4は、クーラント供給用内部流路１５の下流側に位置する燃料電池セル群、すなわち、第２の燃料電池セル群１１の発熱に対して、これを冷却するためのクーラントを供給する必要があるか否かを判断するための値である。クーラント入口温度Ｔin、入出温度差ΔＴ、スタック端部温度Ｔsが対応する各温度閾値Ｔth2，Ｔth3，Ｔth4よりも小さくなる状況としては、クーラントの温度が低すぎるため、第１の燃料電池セル群１１の発熱量を増加させても十分な暖機ができていないケースが挙げられる。
【００５２】
ステップ２７ｂにおいて肯定判定された場合には、ステップ２７ｃに進む。ステップ２７ｃにおいて、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、流路切替機構１４ａを第３のクーラントモードに制御する。
【００５３】
ステップ２７ｄにおいて、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、スタック端部温度Ｔsからクーラント入口温度Ｔinを減算した値が、第５の温度閾値Ｔth5よりも大きいか否かを判定する。燃料電池スタック１０の暖機を継続していると、クーラントの温度が低すぎて第１の燃料電池セル群１１だけではそれを温めきれていないが、中間マニホールド１４よりも奥側、すなわち、第２の燃料電池セル群１１の発熱量が増加し、これらの燃料電池セルを冷却する必要性が生じる。そこで、ステップ２７ｄでは、スタック端部温度Ｔsからクーラント入口温度Ｔinを減算した値を、第５の温度閾値Ｔth5と比較して、このような状態を判断する。ステップ２７ｄにおいて肯定判定された場合には、ステップ２７ｅに進む。一方、ステップ２７において否定判定された場合には、ステップ２７ｅの処理をスキップして、本ルーチンを抜ける。
【００５４】
ステップ２７ｅにおいて、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、スタック端部温度Ｔsに基づいて、流路切替機構１４ａを第４のクーラントモードに制御する。この第４のクーラントモードにおいて、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、クーラント供給用内部流路１５の上流側と下流側とを、および、クーラント供給用内部流路１５の上流側と内部バイパス流路１４ｂとをそれぞれ連通させた状態において、可動部の回転角度を適宜調整する。この場合、制御部３０は、スタック端部温度Ｔsが高いほど、クーラント供給用内部流路１５の下流側へのクーラント流量が増加するような制御を行っている。
【００５５】
一方、ステップ２７ｂにおいて否定判定されると、ステップ２７ｆにおいて、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、クーラント入口温度Ｔinが第２の温度閾値Ｔth2よりも小さく、入出温度差ΔＴが第３の温度閾値Ｔth3よりも小さく、かつ、スタック端部温度Ｔsが第４の温度閾値Ｔth4以上であるか否かを判断する。ステップ２７ｂにおける否定判定を前提として、クーラント入口温度Ｔinおよび入出温度差ΔＴが温度閾値Ｔth2，Ｔth3よりも小さくなり、かつ、スタック端部温度Ｔsが温度閾値Ｔth4以下となる状況としては、第１の燃料電池セル群１１の発熱で十分にクーラントを暖めることができている状態で、或いは、第１の燃料電池セル群１１の発熱量が多すぎて入出温度差ΔＴが所望の値以上になっている状態で、第２の燃料電池セル群１１の発熱量が増加しているケースが挙げられる。ステップ２７ｆにおいて肯定判定される場合には（Ｔin＜Ｔth2 かつ ΔＴ＜Ｔth3 かつＴs≧Ｔth4）、ステップ２７ｇに進む。一方、ステップ２７ｆにおいて否定判定された場合には、ステップ２７ｇ以降の処理をスキップして本ルーチンを抜ける。
【００５６】
ステップ２７ｇにおいて、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、スタック端部温度Ｔsからクーラント入口温度Ｔinを減算した値が、第５の温度閾値Ｔth5よりも大きいか否かを判定する。燃料電池スタック１０の暖機処理を継続していると、中間マニホールド１４よりも奥側、すなわち、第２の燃料電池セル群１１の発熱量が増加し、これらの燃料電池セルを冷却する必要性が生じる。そこで、ステップ２７ｇでは、スタック端部温度Ｔsからクーラント入口温度Ｔinを減算した値を、第５の温度閾値Ｔth5と比較することにより、このような状態を判断する。ステップ２７ｇにおいて肯定判定された場合には、ステップ２７ｈに進む。一方、ステップ２７ｇにおいて否定判定された場合には、ステップ２７ｈの処理をスキップして、本ルーチンを抜ける。
【００５７】
ステップ２７ｈにおいて、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、流路切替機構１４ａを第４のクーラントモードに制御する。この第４のクーラントモードにおいて、制御部３０は、クーラント供給用内部流路１５の上流側と下流側とを、および、クーラント供給用内部流路１５の上流側と内部バイパス流路１４ｂとをそれぞれ連通させた状態において、可動部の回転角度を適宜調整する。この場合、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、スタック端部温度Ｔsに基づいて、スタック端部温度Ｔsが高いほど、クーラント供給用内部流路１５の下流側へのクーラント流量が増加するように制御を行っている。また、ステップ２７ｈにおいて、制御部３０（ガス制御部３０ｃ）は、第１の燃料電池セル群１１の発熱量が増大している可能性があるため、ガス偏向機構１２ａを第３のガスモードへと制御する。
【００５８】
ステップ２８において、制御部３０（暖機判断部３０ａ）は、温度センサ３１，３２の検出値を読み込み、燃料電池スタック１０の暖機を継続するか否かを判定する。具体的には、制御部３０は、クーラント入口温度Ｔinが第２の温度閾値Ｔth2よりも大きく、入出温度差ΔＴがテーブル温度閾値Ｔthtよりも小さく、かつ、スタック端部温度Ｔsからクーラント入口温度Ｔinを減算した値が第６の温度閾値Ｔth6よりも小さいか否かを判定する。ここで、第６の温度閾値Ｔth6は、燃料電池スタック１０の暖機処理を継続して行う必要があると認められる程度のスタック端部温度Ｔsとクーラント入口温度Ｔinとの差の最小値が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。このステップ２８において肯定判定された場合には、ステップ２９に進む。一方、ステップ１７において否定判定された場合には、所定の時間後にステップ２７に戻り、再度上述の暖機制御を行う。
【００５９】
そして、ステップ２８において、制御部３０は、暖機処理を終了し、燃料電池スタック１０の暖機が完了したことを前提に、ステップ２２と同様に、通常の起動処理行う。暖機処理を終了する場合には、制御部３０（クーラント制御部３０ｂ）は、流路切替機構１４ａを第1のクーラントモードに設定するとともに、クーラント循環流路におけるクーラントの流路がラジエータ２１側となるように三方弁２３を制御する。また、制御部３０（ガス制御部３０ｃ）は、ガス偏向機構１２ａを第１の偏向モードに制御する。そして、ステップ２８における起動処理が終了すると、ステップ２９において、制御部３０は、通常の発電モードを開始して、起動処理を終了する。
【００６０】
このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、上述した燃料電池スタック１０と、流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態と、ガス偏向機構１２ａによる反応ガスの偏向状態とを制御することにより、燃料電池スタック１０を暖機する暖機処理を行う制御部３０と有している。かかる構成によれば、制御部３０により、流路切替機構１４ａと、ガス偏向機構１２ａとを適切に制御することで、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、制御部３０は、燃料電池スタック１０の暖機状態に基づいて、流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態と、ガス偏向機構１２ａによる酸化剤ガスの偏向状態とを制御している。これにより、燃料電池スタック１０の暖機状態に応じて、最適な暖機制御を行うことができるので、燃料電池スタック１０の暖機を精度よく行うことができるとともに、効率よく燃料電池スタック１０の暖機を促進させることができる。
【００６２】
ここで、燃料電池システムは、クーラント入口温度センサ３１と、クーラント出口温度センサ３２と、スタック端部温度センサ３３とをさらに備えている。燃料電池スタック１０の暖機状態を判断する暖機判断部３０ａは、これらのセンサ３１〜３３の検出値（クーラント入口温度Ｔin、クーラント出口温度Ｔoutおよびスタック端部温度Ｔs）に基づいて、燃料電池スタック１０の暖機状態を判断している。これにより、燃料電池スタック１０の暖機状態を詳細に把握しながら暖機処理を行うことができるので、流路切替機構１４ａによるクーラントの流路状態、および、ガス偏向機構１２ａによる反応ガスの偏向状態を、より精密に制御することができる。そのため、燃料電池スタック１０の暖機を精度よく行うことができるとともに、効率よく燃料電池スタック１０の暖機を促進させることができる。
【００６３】
図１５は、暖機状態に応じた、クーラント流路の切替状態、および、酸化剤ガスの偏向状態の制御に関する説明図である。同図において、縦軸はクーラント入口温度Ｔinを示し、横軸はスタック端部温度Ｔsを示す。また、直線Ｌ1は、クーラント入口温度Ｔinからスタック端部温度Ｔsを減算した値が「０」となる点を示し、直線Ｌ1は、クーラント入口温度Ｔinからスタック端部温度Ｔsを減算した値が第５の温度閾値Ｔth5となる点を示す。
【００６４】
ステップ２７ｂにおいて肯定判定されるように、クーラントの温度が低すぎるため、第１の燃料電池セル群１１の発熱によっても十分な暖機ができていない場合には（Ｔin＜Ｔth2 かつ ΔＴ＜Ｔth3 かつ Ｔs＜Ｔth4）、流路切替機構１４ａが第３のクーラントモードに設定される。この第３のクーラントモードでは、クーラント供給用内部流路１５の上流側と内部バイパス流路１４ｂとが連通されるので、第１の燃料電池セル群１１にクーラントが供給されるものの、内部バイパス流路１４ｂにもクーラントが分流するため、第１の燃料電池セル群１１に供給されるクーラントの流量を減少させることができる。これにより、冷えすぎたクーラントが第１の燃料電池セル群１１を循環する割合を低減させることができるので、第１の燃料電池セル群１１の暖機が促進されることなる。
【００６５】
また、ステップ２７ｄにおいて肯定判定されるように、クーラント入口温度Ｔinと比較して第２の燃料電池セル群１１の発熱量が増加する場合には（Ｔs−Ｔin＞Ｔth5）、流路切替機構１４ａが第４のクーラントモードに設定される。この第４のクーラントモードでは、クーラント供給用内部流路１５の上流側が、その下流側とともに内部バイパス流路１４ｂと連通されるので、第１の燃料電池セル群１１に供給されるクーラントの流量を減少させつつ、第２の燃料電池セル群１１にクーラントを供給することができる。これにより、燃料電池スタック１０の暖機時には、低温のクーラントの流れを適切に調整することで、このクーラントによって燃料電池スタック１０が冷やされすぎてしまうといった事態を抑制することができる。
【００６６】
また、ステップ２７ｇで肯定判定されるように、第１の燃料電池セル群１１の発熱でクーラントが温められた状態で、第２の燃料電池セル群１１の発熱量が増加している場合（Ｔin＜Ｔth2 かつ ΔＴ＜Ｔth3 かつ Ｔs≧Ｔth4）には、流路切替機構１４ａが第４のクーラントモードに設定される。また、このケースでは、第１の燃料電池セル群１１の発熱量が増大していることも考えられるので、ガス偏向機構１２ａが第３のガスモードに設定される。これにより、クーラントが第２の燃料電池セル群１１側へと供給されることとなるので、発熱量が増大した第２の燃料電池セル群１１を冷却することが可能となり、発熱量の増加に伴う燃料電池セルの劣化を抑制することができる。また、外部マニホールド１２側に配置された燃料電池セルに対する酸化剤ガスの供給流量が回復されるので、その発熱量が不必要に増加されるといった事態を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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全体構成図である。
【図２】燃料電池スタック１０内部の冷却構造の説明図である。
【図３】燃料電池スタック１０内部の冷却構造の説明図である。
【図４】燃料電池スタック１０内部の冷却構造の説明図である。
【図５】燃料電池スタック１０内部の冷却構造の説明図である。
【図６】酸化剤極セパレータ１１ｃの反応面における側面形状の説明図である。
【図７】酸化剤ガス供給用内部流路の説明図である。
【図８】酸化剤ガス供給用内部流路の説明図である。
【図９】酸化剤ガス供給用内部流路の説明図である。
【図１０】制御部のブロック構成図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】テーブル温度閾値Ｔthtの説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの起動処理の手順を示すフローチャートである。
【図１４】ステップ２７における燃料電池スタックの暖機制御の手順を示すフローチャートである。
【図１５】暖機状態に応じたクーラント流路の切替状態および酸化剤ガスの偏向状態の制御に関する説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０      燃料電池スタック
１１      燃料電池セル群
１１ａ    燃料電池構造体
１１ｂ    燃料極セパレータ
１１ｃ    酸化剤極セパレータ
１２      第１の外部マニホールド
１２ａ    ガス偏向機構
１２ｂ    酸化剤ガス入口部
１３      エンドプレート
１４      中間マニホールド
１４ａ    流路切替機構
１４ｂ    内部バイパス流路
１５      クーラント供給用内部流路
１５ａ    セル冷却流路
１６      酸化剤ガス供給用内部流路
１７      反応面
１８      酸化剤ガス排出用内部流路
２０      冷却系
２１      ラジエータ
２２      クーラント用ポンプ
２３      三方弁
３０      制御部
３０ａ    暖機判断部
３０ｂ    クーラント制御部
３０ｃ    ガス制御部
３１〜３３  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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【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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