(57)【要約】【課題】起動時のエネルギー効率が向上した燃料電池システムを提供する。【解決手段】高温膜を用いた複数の燃料電池スタック１００‐１〜４に、暖機のためのヒータを付設し、起動時に１の燃料電池スタック１００‐１のみを補助電源の電力によって暖機し、稼動可能となった該燃料電池スタック１００‐１を稼動させ、その出力によって、他の燃料電池スタック１００‐２〜４をヒータで暖め、最終的に全ての燃料電池スタック１００‐１〜４の暖機を完了する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した複数の燃料電池スタックと、
各燃料電池スタックの外側面をそれぞれ覆う断熱材と、
燃料電池スタック毎に設けられたヒータと、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化ガス室に空気を供給する空気供給手段と、
各燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
燃料電池で発電された電力を蓄える蓄電手段と、
前記ヒータのオン・オフと、前記燃料供給手段による燃料ガス供給の有無と、前記空気供給手段による空気供給の有無とを、前記燃料電池スタック毎に制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、起動時において、特定の燃料電池スタックのヒータと前記蓄電手段とを通電し、
前記温度センサの検出値に基づき、前記特定の燃料電池スタックの温度が発電可能温度に到達したか判断する判断手段と、
前記判断手段が発電可能温度に到達したと判断するまで、前記特定の燃料電池スタックへのみ空気と燃料ガスを供給する限定供給手段と、
前記特定の燃料電池スタックの発電した電力を他の燃料電池スタックのヒータへ供給する電力分配手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池スタックの温度に応じて、空気の供給量を調整する供給量調整手段を有する請求項１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係り、詳しくはヒータを用いて暖機を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生させるものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池では、基本単位となる単位セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成される。そして、単位セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池では、水素及び空気（酸素）が供給されることにより、以下のような水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。  
（水素極側）Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
そして、燃料電池には、上記発電された電力を取り出すための集電板が、積層方向における両端に設けられている。この集電板で取り出された電力は、インバータを介して走行モータ等の負荷に供給され、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。
【０００３】
ところで、上記電気化学反応（発電反応）を行うためには、電解質膜の性質に応じて、最適な温度環境が必要になるが、発電反応によって生成される水を蒸発させ、燃料室内での生成水の滞留を防止するために、摂氏１００度以上において反応効率が高い電解質膜が用いられることが検討されている。
【特許文献１】特開２００５−４４６３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、上記電解質膜を用いた燃料電池システムに低温域でガスを供給すると、電極構成成分が凝結した生成水に溶解し電極が劣化するといった問題あり、生成水が蒸発する温度以上で発電反応を効率良く行える高温電解質膜が用いられる。この場合、ガスを供給する前に、燃料電池を生成水が蒸発する１００度以上に暖める必要があるが、そのためのエネルギーが必要とされるため、エネルギー効率が悪化するといった問題があった。
【０００５】
本発明は、起動時のエネルギー効率が向上した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】
【０００６】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
【０００７】
（１）  燃料ガスが流入される燃料室と、と酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した複数の燃料電池スタックと、
各燃料電池スタックの外側面をそれぞれ覆う断熱材と、
燃料電池スタック毎に設けられたヒータと、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化ガス室に空気を供給する空気供給手段と、
各燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
燃料電池で発電された電力を蓄える蓄電手段と、
前記ヒータのオン・オフと、前記燃料供給手段による燃料ガス供給の有無と、前記空気供給手段による空気供給の有無とを、前記燃料電池スタック毎に制御する制御手段とを備え、
起動時において、前記制御手段は、特定の燃料電池スタックのヒータと前記蓄電手段とを通電し、
前記温度センサの検出値に基づき、前記特定の燃料電池スタックの温度が発電可能温度に到達したか判断する判断手段と、
前記判断手段が発電可能温度に到達したと判断するまで、前記特定の燃料電池スタックへのみ空気と燃料ガスを供給する限定供給手段と、
前記特定の燃料電池スタックの発電した電力を他の燃料電池スタックのヒータへ供給する電力分配手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【０００８】
（２）  燃料電池スタックの温度に応じて、空気の供給量を調整する供給量調整手段を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、起動時においては、複数ある燃料電池スタックの中から特定の燃料電池スタックを選択し、これをヒータで暖機するため、ヒータが消費する電力を低減させることができる。さらに、この特定の燃料電池スタックの暖機が終了し、発電を開始させた後、この燃料電池スタックからの電力を他の燃料電池スタックの暖機に用いることにより、補助電源や外部電源からの電力の供給を要しないので、補助電源等の電力消費を抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックの温度を高くする場合には、供給する空気の量を減少させ、温度を低くする場合には、供給する空気の量を増加させる。このように、供給する空気の量を調節することにより、発電稼動中の燃料電池スタックの温度を調節することができ、ヒータなどの暖機用の装置を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０と、空気供給系１２と、負荷系７とに大略構成される。
【００１２】
図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。  
燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。
【００１３】
固体高分子電解質膜２３は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。 
具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。このような電解質を用いることで、電極や電解質の加湿が不要となり、加湿のための水供給装置を省略できる。  
以上のような高温膜を用いることによって、発電反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、水排出のための構造を負荷する必要もなくなる。
【００１４】
セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。固体高分子電解質膜２３において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜２３は、生成水が蒸発する温度以上で発電反応を効率良く行える高温電解質膜であるため、その温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００１５】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１６】
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１７】
凸部３１１の両端（図中では上下端）には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。
【００１８】
燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、相互に対向する位置（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１９】
各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールドが構成される。燃料ガス供給通路３１９ａは、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス排出通路３１９ｂはガス循環流路２０２に接続される。
【００２０】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
【００２１】
以上のように、単位セル２と、セパレータ３は交互に積層され、積層方向の端部には、それぞれ電極板が重ねられ、電極板には側方に突出した電極が３５ａ、３５ｂが設けられる。このように構成された燃料電池スタック１００は、空気流入部３２６と空気流出部３２７が設けられた面を除く側面が、断熱材３６により覆われ、断熱材３６にヒータが埋め込まれている。
【００２２】
上記説明した燃料電池スタック１００は、複数設けられ、図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３の積層方向に連結される。本実施形態では、４つの燃料電池スタック１００‐１〜４が積層方向に沿って密着して配列されており、各燃料電池スタック１００‐１〜４の各燃料ガス供給通路３１９ａには、それぞれ別個に燃料ガスが供給され、各燃料ガス排出通路３１９ｂには、それぞれ別々に排出路が接続される。そして、各燃料電池スタック１００‐１〜４には、それぞれ独立して燃料ガスの供給を行うことが可能な構成となっている。さらに、各燃料電池スタック１００‐１〜４には、温度センサＳ５がそれぞれ設けられている。この温度センサＳ５によって、各燃料電池スタック１００-１〜４の温度を検出することができる。
【００２３】
次に、図１に示されている燃料電池システムの空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である排気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気入口温度センサＳ４、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４には、各燃料電池スタック１００‐１〜４毎に、導かれた空気を分割して別々に供給する分配装置と、空気の流量を調整する流量調整装置が設けられている。空気マニホールド５４を通過した空気は、燃料電池スタック１００の各空気流入部３２６に分割して流入させる。
【００２４】
上記空気供給系１２の具体的構成は、以下のとおりである。図５は空気供給系１２の構成を示す全体斜視図、図６は、同じく全体平面図である。既述の通り、空気供給系１２は、導風路としての空気導入路１２３を内側に画成する導風管１２６を有し、導風管１２６の空気導入側端部の取入口１２６ｓには、送風手段としての空気ファン１２２（エアブロア）の送風口１２２ｅが接続されている。空気ファン１２２の吸引口には、エアフィルタ１２１が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン１２２は、回転翼（インペラー）を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータＭ１が、回転翼の回転軸に接続されている。導風管１２６の取入口１２６ｓは、送風口１２２ｅと同じ形状に構成されている。
【００２５】
導風管１２６の他端開口部１２６ｅは、空気マニホールド５４の空気流入口５４１と同形状の扁平な矩形状に形成され、分配装置６１に接続されている。空気マニホールド５４は、空気流入部３２６の集合体である開口９４０の全面を覆って設けられている。
【００２６】
図５および図６に示されているように、空気マニホールド５４内において、空気流入方向に平行に、換言すると空気流入部３２６の長辺に平行に配置された（単位セル２やセパレータ３の積層方向に直交する向きに配置された）分離板６１１が、燃料電池スタック１００‐１〜４の配置方向に３枚配置されている。分離板６１１は、燃料電池スタック１００‐１〜４の接触部分に対応する位置に設けられている。この３つの分離板６１１と空気マニホールド５４とによって、各燃料電池スタック１００‐１〜４へ、個別に空気流を導く分配流路６１０‐１〜４が形成される。分離板６１１と分配流路６１０‐１〜４によって分配装置６１が構成される。
【００２７】
各分配流路６１０‐１〜４の空気流入口５４１側には、各分配流路６１０‐１〜４毎に流量調整装置６２がそれぞれ設けられている。図７は、流量調整装置６２の斜視図である。図７は、分配流路６１０‐１に設けられた単体の流量調整装置６２０−１を示すものである。空気流入口５４１内には、空気マニホールド５４と、空気導入路１２３とを仕切る仕切り板５４０が設けられ、この仕切り板５４０には、各分配流路６１０‐１〜４毎に、通風孔６２１が形成されている。その通風孔６２１内には、板状の調整部材６２２が２枚収納されている。２枚の調整部材６２２、６２２は、同大、同形状に形成され、この２枚を組み合わせることによって、通風孔６２１を閉鎖できるように形成されている。各調整部材６２２、６２２は、上下端辺の中心線上に支持軸６２３ａ、６２３ｂを有し、通風孔６２１内において回動自在に支持されている。そして、調整部材６２２、６２２の仕切り板５４０に対する角度θが、９０度である場合には全開状態、０度である場合が全閉状態となり、この角度θの大きさによって、各燃料電池スタック１００‐１〜４に供給される空気の量を、各々別個に調整することが可能となる。
【００２８】
一方の支持軸６２３ｂは、通風空間の外側に突出し、その突出端にはアーム６２４、６２４が一体回動可能に固定され、アーム６２４、６２４の先端には連結操作部材６２５が接続されている。この連結操作部材６２５の他方の端部には、この連結操作部材６２５を部材の軸方向へ往復移動させる駆動装置が設けられ、該駆動装置は、制御装置により駆動量が制御される。この駆動装置は、たとえばモータ、油圧または空圧シリンダなどが用いられる。以上のような流量調整は、各分配流路６１０‐１〜４毎に別個に実施することができる。
【００２９】
次に、燃料電池スタック１００‐１〜４の下流側には、排気ダクト１２４が接続される。排気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の空気流出部３２７に接続され、空気流出部３２７から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。排気ダクト１２４には、吸熱用熱交換器１２６が接続され、熱が吸収された排気は、フィルタ１２５を介して外部に排出される。排出される空気の温度は、吸熱用熱交換器１２６の下流側に設けられた温度センサＳ６で検出される。
【００３０】
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１、を介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１には、水素貯蔵タンク１１側から順に、水素元開閉弁Ｖ０、一次センサＳ０、レギュレータＶ２、水素調圧弁Ｖ３、ガス供給弁Ｖ４、三次圧センサＳ１が設けられ、三次圧センサＳ１とガス取入口２０１ＩＮの間には、後述のガス循環流路２０２が合流するエゼクタ２５が設けられている。
【００３１】
燃料ガス供給流路２０１のガス取入口２０１ＩＮ側は、４つのスタック用供給路２０１-１〜４に分岐し、スタック用供給路２０１-１〜４は、各燃料電池スタック１００‐１〜４のガス取入口２０１ＩＮ-１〜４に接続される。スタック用供給路２０１-１〜４には、スタック用供給弁Ｖ８-１〜４がそれぞれ設けられている。
【００３２】
燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１のエゼクタ２５に接続され、さらに、ガス循環流路２０２には、循環電磁弁Ｖ７が設けられている。ガス循環流路２０２と燃料ガス供給流路２０１で循環路が構成される。
【００３３】
ガス循環流路２０２のガス排出口２０２ＯＵＴ側は、４つのスタック用排出路２０２-１〜４に分岐し、スタック用排出路２０２-１〜４は、各燃料電池スタック１００‐１〜４のガス排出口２０２ＯＵＴ-１〜４に接続される。スタック用排出路２０２-１〜４には、スタック用排出弁Ｖ５-１〜４がそれぞれ設けられている。
【００３４】
ガス循環流路２０２において、循環電磁弁Ｖ７とスタック用排出路２０２-１〜４の分岐との間には、ガス排出路２０３の一端がトラップ２７を介して接続されている。ガス排出路２０３の他端は、後述する排気ダクトに接続され、さらにガス排出路２０３は、ガス排出電磁弁Ｖ６を備えている。
【００３５】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３を介してモータ等の負荷に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源であるキャパシタ７６が接続されている。
【００３６】
なお、４つの燃料電池スタック１００‐１〜４には、図８に示されているように、それぞれリレーＲ１〜４がそれぞれ直列に接続され、各燃料電池スタック１００‐１〜４相互では並列に接続されている。そして、並列に接続された燃料電池スタック１００‐１〜４に対して、さらに補助電源７６と負荷が並列に接続されている。また、補助電源７６と並列接続された燃料電池スタック１００‐１〜４との間には、リレーＲ０が接続されている。リレーＲ１〜４のいずれかがオンで、リレーＲ０がオン状態である場合には、燃料電池スタック１００‐１〜４の出力は、負荷７７および補助電源７６に供給される。補助電源７６は、例えば蓄電池などの二次電池やキャパシタで構成される。
【００３７】
図９は、負荷７７の構成を示す回路図である。負荷７７は、電気自動車の駆動モータＭや、その他の空気ファン１２２のモータＭ１などの補機類、さらに、燃料電池スタック１００‐１〜４を暖めるヒータ３６-１〜４がそれぞれ並列に接続されている。また、各ヒータ３６−１〜４には、リレーＲＨ１〜４が直列に接続されている。さらに、モータＭにリレーＲＭ１が、モータＭ１にはリレーＲＦがそれぞれ直列に接続されている。
【００３８】
燃料電池システム１の制御装置には、各センサＳ０、Ｓ１、Ｓ４〜５の検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ２〜８、ファン１２２、暖機ヒータ３６‐１〜４、流量調整装置、インバータ７３、出力制御装置７５、リレーＲ０〜４、ＲＭ１、ＲＨ１〜４、ＲＦのオン／オフを制御する。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。図１０は、イグニッションスイッチをオンにした場合の起動時の動作を示すフローチャート、図１１〜１３は定常運転時の動作を示すフローチャート、図１４は、イグニッションスイッチをオフにした場合の動作を示すフローチャートである。
【００４０】
イグニッションスイッチをオンすると、燃料電池スタック１００‐１のヒータ３６−１をオンする（ステップＳ１０１）。これは、負荷７７のリレーＲＨ１をオンすることにより実行される。他のヒータ３６−２〜４のリレーＲＨ２〜４は、オフのままで維持される。このヒータに供給される電力は、補助電源７６から供給される。他の燃料電池スタック１００‐２〜４のヒータには、電力は供給されず、暖機は行われないため、補助電源７６の蓄電量の消耗が抑制される。
【００４１】
燃料電池スタック１００‐１の温度を、燃料電池スタック１００‐１に設けられた温度センサＳ５から検出し、その温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１０３）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。摂氏１００度を超えない場合には、発電反応を起こさせない。摂氏１００度以下で発電反応を起こさせた場合には、生成水が発生し、電解質膜や電解質膜と電極との間にある反応層に含まれるリンが溶出し、性能を損なうためである。
【００４２】
摂氏１００度を超えた場合には、燃料電池スタック１００‐１のリレーＲ１とリレーＲ０をオンに切り替える（ステップＳ１０５）。これにより、燃料電池スタック１００‐１の出力が負荷７７や補助電源７６に供給できる状態となる。分配流路６１０‐１の流量調整装置６２０−１を開放し、他の流量調整装置６２０−２〜４は、閉じられている。このため、リレーＲＦをオンに切り換え、空気ファン１２２の駆動を開始し、空気の供給を開始すると（ステップＳ１０７）、空気の供給は、燃料電池スタック１００‐１のみとなる。さらに、スタック用供給弁Ｖ８-１とスタック用排出弁Ｖ５−１を開放し、燃料電池スタック１００‐１に水素ガスの供給を開始する（ステップＳ１０９）。  
燃料電池スタック１００‐２〜４のヒータをオンし（ステップＳ１１１）、ヒータへの電力は、燃料電池スタック１００‐１の出力を供給する。これは、リレーＲＨ２〜４をオンすることにより実施される。
【００４３】
燃料電池スタック１００‐２〜４の温度をそれぞれ温度センサＳ５で検出し、その温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１１３）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。超えた場合には、流量調整装置６２０−２〜４を開放し、燃料電池スタック１００‐２〜４に空気の供給を開始する（ステップＳ１１５）。
【００４４】
さらに、スタック用供給弁Ｖ８-２〜４とスタック用排出弁Ｖ５-２〜４とを開放し、各燃料電池スタック１００‐２〜４に水素の供給を開始する（ステップＳ１１７）。これにより、全ての燃料電池スタック１００‐１〜４において、発電反応が可能な状態となる。ステップＳ１１３〜Ｓ１１７の動作は、各燃料電池スタック１００−２〜４毎に行われる。
【００４５】
全ての燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度を超えたか判断する（ステップＳ１１９）。超えていない場合には、先の処理に進まず、この処理を繰り返し実行する。超えている場合には、燃料電池スタック１００‐１〜４のヒータをオフに切り替え（ステップＳ１１１）、定常運転を開始する。
【００４６】
定常運転時には、温度センサＳ５によって、各燃料電池スタック１００‐１〜４の温度を監視する（ステップＳ２０１）。そして、その温度が摂氏１００度をより低くなった場合（ステップＳ２０３）と、摂氏２００度を超えた場合（ステップＳ２０５）において、各燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００〜２００度の範囲となるように以下の動作を行う。
【００４７】
燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度より低くなった場合には、流量調整装置６２０−１〜４によって、空気の供給量を減少させる（ステップＳ３０１）。外気温度は、燃料電池スタック１００‐２〜４の温度よりも低いため、空気の流入を抑制することで、温度の低下を緩和する。また、暖めるために燃料電池スタック１００‐１〜４のヒータをオンする（ステップＳ３０３）。そして、燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度を超えるか判断し（ステップＳ３０５）、超えた場合には、ヒータをオフする（ステップＳ３０７）。流量調整装置６２０−１〜４の空気流量を復帰させ（ステップＳ３０９）、定常運転に復帰させる（ステップＳ３１１）。
【００４８】
一方、燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が、摂氏２００度を超えた場合には、空気ファン１２２の送風量を増大させる（ステップＳ４０１）。温度の低い外気の供給量が増加することで、過熱した燃料電池スタック１００‐１〜４を冷やすことができる。燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏２００度より低くなったか判断する（ステップＳ４０３）。低くなった場合には、空気流量を元の量に復帰させ（ステップＳ４０５）、定常運転に復帰させる（ステップＳ４０７）。このような空気流量の調整は、流量調整装置６２０−１〜４によって、各燃料電池スタック１００‐１〜４毎に可能となっている。
【００４９】
次に停止する場合の動作について説明する。イグニッションスイッチをオフにすると、水素ガスの供給を停止させ、空気ファン１２２の風量を増大させる（ステップＳ５０１）。水素ガスの供給がないため、発電反応は発生せず、外気の流入による冷却効果が得られる。全燃料電池スタック１００‐１〜４の温度が摂氏１００度より低くなったか判断し（ステップＳ５０３）、低くなった場合には、空気ファン１２２等の補機類を停止させる。
【００５０】
以上のような構成のほか、燃料電池スタック１００‐１〜４の接続は、図１５に示されているように、直列接続であってもよい。この場合、燃料電池スタック１００‐１と燃料電池スタック１００‐２〜４の間にリレーＲ５が設けられ、燃料電池スタック１００‐２〜４に並列にリレーＲ６が接続される。
【００５１】
起動時において、燃料電池スタック１００‐１が摂氏１００度以上に温まった場合には、リレーＲ０とリレーＲ６がオン状態となり、燃料電池スタック１００‐１の出力が負荷に供給される。この出力を用いて、燃料電池スタック１００‐２〜４がヒータにより暖められ、摂氏１００度を超えた場合に、リレーＲ６がオフとなり、リレーＲ５がオンされる。これにより、全燃料電池スタック１００‐１〜４が直列に接続される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分斜視図である。
【図４】燃料電池スタックの配置例を示す斜視図である。
【図５】分配装置の構成を示す斜視図である。
【図６】空気供給系の構成を示す燃料電池スタックの平面図である。
【図７】流量調整装置の構成を示す斜視図である。
【図８】各燃料電池スタックの電気的接続構成を示す回路図である。
【図９】各ヒータの電気的接続構成を示す回路図である。
【図１０】燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。
【図１１】燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。
【図１２】燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。
【図１３】燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。
【図１４】燃料電池システムの作用を示すフローチャートである。
【図１５】燃料電池スタックの他の電気的接続構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池システム
１１  水素貯蔵タンク
１００  燃料電池スタック
２０１、２０２  燃料ガス供給流路
【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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