(57)【要約】【課題】低温環境下における燃料電池システムの暖機時間を短縮する。【解決手段】燃料電池と、冷却媒体の内部流路と、内部流路と接続され循環流路を形成する外部流路と、を有する燃料電池システムにおける冷却媒体の流量制御方法は、（ａ）内部流路への入口における冷却媒体の温度である入口温度が、燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを推定する工程と、（ｂ）入口温度が下限温度以上であると判定された場合に、循環流路における冷却媒体の流量を通常流量に比べて多くなるように調整する工程と、を備える。【選択図】図４
2016091921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、を有する燃料電池システムにおける前記冷却媒体の流量制御方法であって、
（ａ）前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する工程と、
（ｂ）前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、さらに、
（ｃ）前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記通常流量に比べて少なくなるように調整する工程、を備える、方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法において、さらに、
（ｄ）前記燃料電池の温度を取得する工程と、
（ｅ）前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記通常流量に調整する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とは、いずれも前記燃料電池システムの氷点下始動時に暖機運転が実行されている期間において、前記燃料電池の温度が前記暖機運転の終了時の温度として予め定められている終了温度よりも低い間に実行され、且つ、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に終了し、
前記工程（ｅ）は、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に実行される、方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法において、
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記循環流路内の前記内部流路の出口における前記冷却媒体の温度である出口温度を取得する工程と、
（ａ２）前記出口温度が前記下限温度以上であるか否かを判定する工程と、
（ａ３）前記出口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記出口温度が前記下限温度以上であると前回判定されてから今回判定されるまでの経過期間に、前記循環流路のうちの少なくとも前記外部流路の体積に相当する所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過したか否かを判定する工程と、
（ａ４）前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を経過したと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上であると判定し、前記工程（ａ２）において前記出口温度が前記下限温度よりも高くないと判定された場合、または前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過していないと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定する工程と、
を有する、方法。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、
前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、
前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する温度比較判定部と、
前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する流量制御部と、
を備える、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、燃料電池システムにおける冷却媒体の流量制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、積層された複数の単セルから成るセルスタックを有する燃料電池システムにおいて、氷点下始動時に、冷却水のポンプを停止させて冷却水を循環させない状態として暖機を行ない、発電部位を急速に昇温させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８６５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、セルスタックの端に位置する単セルのように他の単セルに比べて昇温し難い単セルに対して、他の単セルから冷却水を介して廃熱を与えることができない。このため、セルスタック内に温度分布が生じて、セルスタック全体が所定温度まで昇温するまでに長時間を要するという課題があった。また、各単セル内においても、より昇温し易い酸化剤ガスの入口側の廃熱を、冷却水を介して酸化剤ガスの出口側に導くことができない。このため、各単セル内において温度分布が生じ、セルスタック全体が所定温度まで昇温するまでに長時間を要するという問題があった。このような課題は、冷却水に限らず、不凍液および空気等の任意の種類の冷却媒体を、セルスタックの温度を調整するために循環させる燃料電池システムにおいて共通する課題であった。その他、従来の燃料電池システムでは、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、を有する燃料電池システムにおける前記冷却媒体の流量制御方法が提供される。この方法は、（ａ）前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する工程と；（ｂ）前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する工程と；を備える。
この形態の方法によれば、入口温度が燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上である場合に、循環流路における冷却媒体の流量が通常流量に比べて多くなるように調整されるので、燃料電池内における熱の伝導を促進して燃料電池内における温度分布の発生を抑制できる。このため、燃料電池全体の昇温時間を短くでき、燃料電池システムの暖機運転に要する時間を短縮できる。または、この形態の燃料電池システムでは、工程（ａ）の結果に応じて冷却媒体の流量を通常流量に比べて多くなるように調整し、その工程（ａ）の判定において用いる温度として入口温度を用いている。ここで、入口温度は、循環流路において最も低い温度であるので、かかる温度が生成水が再凍結しない温度範囲の下限値よりも高い場合には、循環流路のいずれの位置においてもこの下限値よりも高い温度である。したがって、冷却媒体の流量を通常流量よりも多くなるように調整した結果燃料電池において生成水の再凍結が生じることを、工程（ａ）において他の部位の温度を用いる場合に比べてより確実に抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の方法において、さらに、（ｃ）前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて少なくなるように調整する工程、を備える、方法。この形態の方法によれば、入口温度が燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上でない場合に、循環流路における冷却媒体の流量が通常流量に比べて少なくなるように調整されるので、燃料電池内において生成水が再凍結することを抑制できると共に、燃料電池における発熱部位が冷却媒体により冷やされ、かかる部位の発熱量が低下してしまうことを抑制できる。
【０００８】
（３）上記形態の方法において、さらに、（ｄ）前記燃料電池の温度を取得する工程と；（ｅ）前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記通常流量に調整する工程と；を備え、前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とは、いずれも前記燃料電池システムの氷点下始動時に暖機運転が実行されている期間において、前記燃料電池の温度が前記暖機運転の終了時の温度として予め定められている終了温度よりも低い間に実行され、且つ、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に終了し、前記工程（ｅ）は、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に実行されてもよい。この形態の方法によれば、暖機運転が実行されている期間において、燃料電池内において生成水が再凍結することを抑制できると共に燃料電池内における温度分布の発生を抑制できるので、暖機運転に要する期間を短縮できる。
【０００９】
（４）上記形態の方法において、前記工程（ａ）は、（ａ１）前記循環流路内の前記内部流路の出口における前記冷却媒体の温度である出口温度を取得する工程と；（ａ２）前記出口温度が前記下限温度以上であるか否かを判定する工程と；（ａ３）前記出口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記出口温度が前記下限温度以上であると前回判定されてから今回判定されるまでの経過期間に、前記循環流路のうちの少なくとも前記外部流路の体積に相当する所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過したか否かを判定する工程と；（ａ４）前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を経過したと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上であると推定し、前記工程（ａ２）において前記出口温度が前記下限温度よりも高くないと判定された場合、および前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過していないと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上でないと推定する工程と；を有してもよい。この形態の方法によれば、出口温度が下限温度以上であると判定された場合に、経過期間に外部流路の体積に相当する所定体積の冷却媒体が入口を通過するまで、入口温度が下限温度以上であると推定しないので、入口温度が下限値以上であるか否かの推定を正確に行なうことができる。
【００１０】
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの氷点下始動の制御方法、燃料電池システムにおける冷却水の流量制御方法または燃料電池システムの氷点下始動の制御方法を実現するためのプログラム、およびそのプログラムを記録する記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の冷却水流量マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】本実施形態の発熱量マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。
【図４】本実施形態における暖機時冷却水流量制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態における入口温度比較判定処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給排出機構２００（燃料ガス供給排出系とも呼ばれる）と、酸化剤ガス供給排出機構３００（酸化剤ガス供給排出系とも呼ばれる）と、燃料電池循環冷却機構４００（燃料電池循環冷却系とも呼ばれる）と、電力充放電機構５００（電力充放電系とも呼ばれる）と、制御装置６００とを備える。
【００１３】
燃料電池１００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、積層方向ＳＤに沿って積層された複数の単セル１１０から成るセルスタックと、セルスタックの両端の外側に配置されて総合電極として機能する一対の集電板１１１とを備える。各単セル１１０は、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１０において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池１００の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水を流通させるためのマニホールドが形成されている。図１では、冷却水流通マニホールド１２０を破線により模式的に表している。本実施形態において、冷却水流通マニホールド１２０は、積層方向ＳＤに沿って形成された図示しない冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドとが各単セル１１０内の冷却水流路を介して接続されている構造を有する。なお、上述の冷却水供給マニホールドは、燃料電池循環冷却機構４００が備える冷却水供給路（後述する冷却水供給路４２１）と接続されている。また、上述の冷却水排出マニホールドは、燃料電池循環冷却機構４００が備える冷却水排出路（後述する冷却水排出路４２２）と接続されている。
【００１４】
燃料ガス供給排出機構２００は、燃料電池１００への燃料ガスの供給および燃料電池１００からのアノード側オフガスの排出を行なう。燃料ガス供給排出機構２００は、水素タンク２１０と、遮断弁２２０と、インジェクタ２２１と、気液分離器２３０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２５０と、燃料ガス供給路２６１と、第１燃料ガス排出路２６２と、燃料ガス循環路２６３と、第２燃料ガス排出路２６４とを備える。
【００１５】
水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路２６１を介して燃料電池１００に供給する。遮断弁２２０は、水素タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、水素タンク２１０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ２２１は、燃料ガス供給路２６１に配置され、燃料電池１００への水素ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。気液分離器２３０は、第１燃料ガス排出路２６２に配置され、燃料電池１００から排出されたアノード側オフガスに含まれる水を分離して第２燃料ガス排出路２６４に排出すると共に、水が分離された後のガス（燃料ガス）を燃料ガス循環路２６３に排出する。循環用ポンプ２４０は、燃料ガス循環路２６３に配置され、気液分離器２３０から排出された燃料ガスを燃料ガス供給路２６１に供給する。パージ弁２５０は、第２燃料ガス排出路２６４に配置され、開弁されることにより、気液分離器２３０によって分離された水やオフガスの大気中への排出を許容する。
【００１６】
酸化剤ガス供給排出機構３００は、燃料電池１００への酸化剤ガスの供給および燃料電池１００からのカソード側オフガスの排出を行なう。酸化剤ガス供給排出機構３００は、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、背圧弁３４０と、酸化剤ガス供給路３３１と、酸化剤ガス排出路３３２とを備える。エアクリーナ３１０は、内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して酸化剤ガス供給路３３１へと送出する。背圧弁３４０は、酸化剤ガス排出路３３２に配置され、燃料電池１００におけるカソード排出側の圧力（いわゆる背圧）を調整する。酸化剤ガス排出路３３２は、上述の第２燃料ガス排出路２６４と接続されており、酸化剤ガス排出路３３２を通って排出される水およびカソード側オフガスは、第２燃料ガス排出路２６４を通って排出される水およびアノード側オフガスと共に大気中へと排出される。
【００１７】
燃料電池循環冷却機構４００は、燃料電池１００を介して冷却水を循環させることにより燃料電池１００の温度を調整する。燃料電池循環冷却機構４００は、ラジエータ４１０と、冷却水供給路４２１と、冷却水排出路４２２と、バイパス流路４２３と、三方弁４３０と、循環用ポンプ４４０と、温度センサ４５０とを備える。
【００１８】
ラジエータ４１０は、冷却水排出路４２２と冷却水供給路４２１とに接続されており、冷却水排出路４２２から流入する冷却水を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却水供給路４２１へと排出する。冷却水供給路４２１は、一端がラジエータ４１０に接続され、他端が燃料電池１００内の冷却水流通マニホールド１２０に接続されている。冷却水排出路４２２は、一端が燃料電池１００内の冷却水流通マニホールド１２０に接続され、他端がラジエータ４１０に接続されている。バイパス流路４２３は、一端が冷却水排出路４２２に接続され、他端が冷却水供給路４２１に接続されている。バイパス流路４２３は、ラジエータ４１０をバイパスして冷却水を冷却水排出路４２２から冷却水供給路４２１へと流通させることで、冷却水をラジエータ４１０により冷却せずに循環させることができる。本実施形態では、冷却水としてエチレングリコール等の不凍水が用いられる。但し、不凍水に限らず空気等の気体などの熱交換可能な任意の媒体を、冷却媒体として用いてもよい。
【００１９】
三方弁４３０は、バイパス流路４２３と冷却水供給路４２１との接続箇所に配置されている。三方弁４３０の弁開度が調整されることによりバイパス流路４２３と冷却水供給路４２１との連通の有無が制御される。具体的には、三方弁４３０が閉じている状態においては、バイパス流路４２３と冷却水供給路４２１は互いに連通しない。このとき、燃料電池循環冷却機構４００において、燃料電池１００内の冷却水流通マニホールド１２０、冷却水排出路４２２、ラジエータ４１０、冷却水供給路４２１、および循環用ポンプ４４０を結ぶ循環流路が形成される。これに対して、三方弁４３０が開いている状態においては、バイパス流路４２３と冷却水供給路４２１は互いに連通する。このとき、燃料電池循環冷却機構４００において、燃料電池１００内の冷却水流通マニホールド１２０、冷却水排出路４２２、バイパス流路４２３、冷却水供給路４２１、および循環用ポンプ４４０を結ぶ循環流路Ｒ１が形成される。特に、三方弁４３０が全開である場合には、燃料電池１００の冷却水流通マニホールド１２０から冷却水排出路４２２に流入した冷却水は、ラジエータ４１０に向かわずにバイパス流路４２３に向かう。このため、上述した循環流路Ｒ１においてのみ冷却水が循環することとなる。
【００２０】
循環用ポンプ４４０は、冷却水供給路４２１において三方弁４３０と燃料電池１００との間に配置されており、燃料電池循環冷却機構４００における冷却媒体の循環流量を調整する。温度センサ４５０は、冷却水排出路４２２において、冷却水流通マニホールド１２０の出口ｐ２の近傍に配置されており、出口ｐ２における冷却水の温度（以下、「出口温度」と呼ぶ）を測定し、温度値を示す信号を出力する。なお、本実施形態では、出口温度は、燃料電池１００の温度として取り扱われる。
【００２１】
電力充放電機構５００は、燃料電池１００またはバッテリー５５０から出力される電力を、負荷装置５１０に供給する。本実施形態において、負荷装置５１０とは、車両駆動用モータや各種捕機類等であり、燃料電池１００の正極側の集電板１１１および負極側の集電板１１１にそれぞれ接続されている。電力充放電機構５００は、インバータ５２０と、電流計５３０と、電圧計５４０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と、バッテリー５５０とを備える。インバータ５２０は、燃料電池１００及びバッテリー５５０と並列に接続され、燃料電池１００またはバッテリー５５０から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置５１０に供給する。電流計５３０は、燃料電池１００から出力される電流値を測定し、電流値を示す信号を出力する。電圧計５４０は、燃料電池１００の出力電圧を測定し、電圧値を示す信号を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０は、バッテリー５５０の出力電圧を昇圧してインバータ５２０に供給し、また、燃料電池１００の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー５５０に供給する。
【００２２】
制御装置６００は、上述の遮断弁２２０、インジェクタ２２１、循環用ポンプ２４０、パージ弁２５０、エアコンプレッサ３２０、背圧弁３４０、循環用ポンプ４４０、三方弁４３０、インバータ５２０、およびＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と電気的に接続されており、これらを制御する。また、制御装置６００は、温度センサ４５０と電気的に接続されており、温度センサ４５０から出力される温度値を示す信号を受信する。制御装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを有する図示しないマイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵがＲＯＭに格納されている制御用プログラムを実行することにより、温度比較判定部６１０、流量制御部６２０、暖機制御部６３０、発熱量特定部６４０、および運転制御部６５０として機能する。
【００２３】
温度比較判定部６１０は、後述する暖機時冷却水流量制御処理において、冷却水流通マニホールド１２０の入口ｐ１の温度（以下、「入口温度」と呼ぶ）が所定の閾値温度以上であるか否かを判定する処理（以下、「入口温度比較判定処理」と呼ぶ）を実行する。流量制御部６２０は、循環用ポンプ４４０の流量を調整することにより、燃料電池循環冷却機構４００における冷却媒体の流量を制御する。暖機制御部６３０は、燃料電池システム１０において実行される暖機運転を制御する。燃料電池システム１０では、イグニッションオン時の燃料電池１００の温度（すなわち、出口温度）が０℃よりも低い温度である場合に、暖機運転が実行される。本実施形態において、暖機運転は、通常運転に比して燃料電池１００への酸化剤ガス（空気）の供給量を絞る（例えば、エアストイキ比を１．０付近に設定する）ことにより、各単セル１１０を低い発電効率で運転させ、発電損失（熱損失）を高めて昇温させる。この暖機運転は、入口温度が暖機終了温度に達するまで実行される。本実施形態において、暖機終了温度は、燃料電池１００の各部位の温度が０℃よりも高い所定温度以上となる場合の入口温度として、予め設定されている。例えば、各単セルにおいて高効率にて発電が可能な温度である７２℃以上８０℃以下の所定の温度以上となる場合の入口温度が、暖機終了温度として予め設定されている。発熱量特定部６４０は、燃料電池１００の発熱量を特定（推定）する。運転制御部６５０は、上述した各機能部６１０〜６４０を制御すると共に、エアコンプレッサ３２０およびインジェクタ２２１等の制御装置６００と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池システム１０の運転（発電）を制御する。
【００２４】
制御装置６００の図示しないＲＯＭには、上述した制御プログラムに加えて、冷却水流量マップ格納部６６０および発熱量マップ格納部６７０が設けられている。冷却水流量マップ格納部６６０には、予め冷却水流量マップが格納されている。発熱量マップ格納部６７０には、予め発熱量マップが格納されている。
【００２５】
図２は、本実施形態の冷却水流量マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図２において、横軸は燃料電池１００の発熱量を示し、縦軸は冷却水流量（単位時間当たりに流れる冷却水の体積）を示す。冷却水流量マップでは、燃料電池１００の発熱量と冷却水流量とが対応付けられている。図２に示す一点鎖線のラインＬｓは、通常運転時に用いられる発熱量と冷却水流量との対応関係を示す。流量制御部６２０は、通常運転時に、かかるラインＬｓを参照して燃料電池１００の発熱量に基づき冷却水流量を決定し、決定された流量となるように循環用ポンプ４４０を制御する。なお、上述の「通常運転」とは、例えば、酸素のストイキ比を１．３〜１．８として燃料電池１００を運転する状態を指す。また、本実施形態のように、燃料電池システム１０が燃料電池自動車に用いられる構成においては、通常運転とは、車両が定常で走行を行なっているときの燃料電池１００の運転状態を指す。言い換えると、通常運転とは、間欠運転や過渡運転を行なっているときの燃料電池１００の運転状態は除かれる。
【００２６】
図２において実線で示す７つのラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、およびＬ７は、氷点下始動時（後述する暖機時冷却水流量制御処理実行時）に用いられる発熱量と冷却水流量との対応関係を示す。これらの７つのラインＬ１〜Ｌ７は、燃料電池１００の温度（出口温度）に応じて設定されている。具体的には、ラインＬ１は、燃料電池１００の温度が最も低い場合に用いられる発熱量と冷却水流量との対応関係として設定されており、続いてラインＬ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７の順番で、燃料電池１００の温度がより高い場合に用いられる対応関係として設定されている。ラインＬ７は、燃料電池１００の温度が、各単セル１１０において生じた生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上の場合に用いられる。具体的には、本実施形態では、燃料電池１００の温度が０℃以上の場合に用いられる。これに対して、残りの６つのラインＬ１〜Ｌ６は、燃料電池１００の温度が０℃よりも低い場合に用いられる。流量制御部６２０は、氷点下始動時に、これら７つのラインＬ１〜Ｌ７を参照して燃料電池１００の発熱量に基づき冷却水流量を決定し、決定された流量となるように循環用ポンプ４４０を制御する。
【００２７】
７つのラインＬ１〜Ｌ７のうち、６つのラインＬ１〜Ｌ６については、発熱量が増えるに従って冷却水量も増加するように設定されている。これは、発熱量が多くなるのに従って冷却水流量を増加させて各単セル１１０間における熱のやりとりを促進し、各単セル１１０同士の熱分布を低減させるためである。また、これらの６つのラインＬ１〜Ｌ６においては、同じ発熱量であれば、燃料電池１００の温度がより高いほど冷却水流量がより多くなるように設定されている。換言すると、同じ発熱量であれば、燃料電池１００の温度がより低いほどより冷却水流量がより少なくなるように設定されている。このように設定されている理由について、以下説明する。燃料電池１００の温度が、生成水が凍結しない温度範囲の下限温度よりも低い場合には、冷却水量が多いと各単セル１１０が冷却水により冷やされて生成水の再凍結が起こり得る。加えて、発熱量が少ない場合に冷却水量が多いと、発熱部位が冷却されてしまうために発熱量が低減してしまい、暖機が抑制されてしまう。そこで、６つのラインＬ１〜Ｌ６では、同じ発熱量であれば、燃料電池１００の温度がより低いほどより冷却水流量がより少なくなるように設定され、生成水の再凍結を抑制すると共に発熱量の低減を抑制するようにしている。また、６つのラインＬ１〜Ｌ６は、いずれも同じ発熱量であれば、通常運転時のラインＬｓよりも少ない冷却水流量が設定されている。このように設定されている理由も、上述した同じ発熱量であれば燃料電池１００の温度がより低いほどより冷却水流量がより少なくなるように設定されている理由と同様である。すなわち、燃料電池１００の温度が、生成水が凍結しない温度範囲の下限温度よりも低い場合には、冷却水流量を通常運転時よりも低く抑えて、冷却水の循環による生成水の再凍結を抑制するためである。
【００２８】
これに対して、ラインＬ７では、いずれの発熱量においても、通常運転時のラインＬｓに比べて多い冷却水流量が設定されている。燃料電池１００の温度が０℃以上の場合には、冷却水を循環させても各単セル１１０において生成水の再凍結は起こらない。このため、この場合には、できるだけ多くの冷却水を循環させることにより、短時間で各単セル１１０に熱を行き渡らせて単セル１１０同士の熱分布の発生を抑制し、燃料電池１００の暖機時間を短縮できる。そこで、本実施形態では、ラインＬ７において、冷却水流量として、循環用ポンプ４４０が供給可能な流量であって、ポンプ駆動に伴う振動および騒音の条件を満たす上限の流量Ｆａが、発熱量に関わらずに設定されている。
【００２９】
図３は、本実施形態の発熱量マップの設定内容の一例を模式的に示す説明図である。図３において、横軸は燃料電池１００の温度を示し、縦軸は発熱量を示す。発熱量マップでは、燃料電池１００の温度と燃料電池１００の発熱量とが対応付けられている。図３に示す３つの曲線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、いずれも燃料電池１００の温度と燃料電池１００の発熱量との対応関係を示すラインである。本実施形態では、燃料電池１００の温度と燃料電池１００の発熱量との対応関係が、燃料電池１００による発電量に応じて設定されている。具体的には、ラインＬ１１は、発電量が最も低い場合に用いられる燃料電池１００の温度と燃料電池１００の発熱量との対応関係として設定されており、続いて、ラインＬ１２、Ｌ１３の順番で、より発電量が高い場合に用いられる対応関係として設定されている。
【００３０】
燃料電池１００の温度が同じ場合、発電量がより多いほど発熱量はより多くなる。したがって、燃料電池１００の温度が同じ場合、ラインＬ１３、Ｌ１２、Ｌ１１の順番で、燃料電池１００の発熱量が多い。各ラインＬ１１〜Ｌ１３に示すように、比較的低い温度範囲では、温度変化に対する発熱量の変化が大きくなっている。具体的には、低温度範囲では、若干の温度低下に伴い発熱量が急増する。これは、低温度範囲において燃料電池１００の温度が低下すると、各単セル１１０内の触媒の活性化が阻害されることに加えて、フラッディングにより触媒として機能できる有効触媒量（有効発電面積）が減少するために発電効率が低下し、熱が生じるからである。同様に、比較的高い温度範囲において、若干の温度上昇に伴い発熱量が急増する。これは、高温度範囲において燃料電池１００の温度が上昇すると、各単セル１１０内の電解質膜が乾燥して膜抵抗値が高くなるため、熱が生じるからである。このような発電量マップは、燃料電池１００の温度と発熱量との関係を予め実験により求めて設定することができる。
【００３１】
上述の構成を有する燃料電池システム１０では、暖機運転実行時に後述の暖機時冷却水流量制御処理が実行されることにより、暖機運転時間を短縮できる。なお、上述した冷却水流通マニホールド１２０は、請求項における内部流路に相当する。また、循環流路Ｒ１は請求項における循環流路に、冷却水排出路４２２とバイパス流路４２３と冷却水供給路４２１と循環用ポンプ４４０とは請求項における外部流路に、それぞれ相当する。
【００３２】
Ａ２．暖機時冷却水流量制御処理：
図４は、本実施形態における暖機時冷却水流量制御処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１０では、上述の暖機運転が開始されると、暖機時冷却水流量制御処理が開始される。なお、暖機運転の開始時に、三方弁４３０は全開となり、循環流路Ｒ１が形成される。したがって、冷却水流通マニホールド１２０から排出される冷却水は、すべてバイパス流路４２３に導かれる。また、暖機時冷却水流量制御処理の開始時には、循環用ポンプ４４０は駆動されておらず、したがって、循環流路Ｒ１における冷却水の循環量はゼロである。上述の「循環流路Ｒ１における冷却水の循環量」とは、循環流路Ｒ１を流動した冷却水の量を示し、本実施形態では、循環流路Ｒ１における任意の位置（例えば、入口ｐ１）を通過した冷却水の量（体積）を意味する。暖機時冷却水流量制御処理では、先ず、温度比較判定部６１０が入口温度比較判定処理を実行する（ステップＳ１０５）。
【００３３】
図５は、本実施形態における入口温度比較判定処理の手順を示すフローチャートである。温度比較判定部６１０は、出口温度を取得し（ステップＳ２０５）、出口温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。出口温度が０℃以上でないと判定されると（ステップＳ２１０：ＮＯ）、温度比較判定部６１０は、入口ｐ１の温度が０℃よりも低いと特定する（ステップＳ２１５）。冷却水排出路４２２とバイパス流路４２３と冷却水供給路４２１と循環用ポンプ４４０とを通る流路（以下、「外部流路」と呼ぶ）には、発熱する部位が存在しない。これに対して、冷却水流通マニホールド１２０では、暖機運転により各単セル１１０において廃熱が生じている。このため、循環流路Ｒ１では、冷却水流通マニホールド１２０において各単セル１１０を通った冷却水が集まる出口ｐ２において、冷却水の温度が最も高い。このため、出口温度が０℃以上でない、すなわち、０℃よりも低い場合には、上述のステップＳ２１５において「入口ｐ１の温度は０℃よりも低い」と特定（推定）するようにしている。
【００３４】
上述のステップＳ２１０において、出口温度が０℃以上であると判定されると（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、温度比較判定部６１０は、ステップＳ２１０において出口温度が０℃以上であると前回判定されてから今回判定されるまでの期間（以下、「判定期間」と呼ぶ）における冷却水の循環量を求める（ステップＳ２２０）。後述するように、本実施形態の暖機時冷却水流量制御処理では、上述の入口温度比較判定処理は入口温度が暖機終了温度になるまで繰り返し実行される。したがって、ステップＳ２１０も繰り返し実行される。ステップＳ２２０では、出口温度が０℃以上であると前回判定された時から今回判定されるまでの時間を求め、かかる時間を、上述の冷却水流量マップのラインＬ１〜Ｌ７に基づき決定された冷却水流量に乗じることにより、循環量を求めることができる。なお、最初にステップＳ２２０が実行される場合には、循環用ポンプ４４０は駆動していないので、循環流量を「ゼロ」と求める。上述の判定期間は、請求項における経過期間に相当する。
【００３５】
温度比較判定部６１０は、ステップＳ２２０で求められた循環量に基づき、判定期間に循環流路Ｒ１の一周分の体積の冷却水が循環流路Ｒ１を循環したか否かを判定する（ステップＳ２２５）。制御装置６００が有するＲＯＭには、予め循環流路Ｒ１の体積が記憶されており、温度比較判定部６１０は、かかる体積とステップＳ２２０で求められた循環量とを比較して、判定期間に循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却水が循環したか否かを判定できる。
【００３６】
判定期間に循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却水が循環していないと判定されると（ステップＳ２２５：ＮＯ）、上述のステップＳ２１５が実行される。したがって、この場合、入口温度は０℃よりも低いと推定される。これに対して、判定期間に外循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却水が循環したと判定されると（ステップＳ２２５：ＹＥＳ）、温度比較判定部６１０は、入口温度は０℃以上であると特定する（ステップＳ２３０）。判定期間に外部流路一周分の体積の冷却水が循環していないと判定された場合に、入口温度は０℃よりも低いと推定されるのは、以下の理由による。上述のように、循環流路Ｒ１において最も温度が高い位置は出口ｐ２である。これに対して、循環流路Ｒ１において最も温度が低い位置は、発熱部位の無い外部流路のうち、出口ｐ２から最も離れている入口ｐ１である。したがって、出口ｐ２で温度が０℃以上であると判定された時点では、入口ｐ１の温度は０℃よりも低い可能性がある。ところが、出口ｐ２で温度が０℃以上であると判定されてから、循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却水が循環すると、出口ｐ２で温度が０℃以上であると判定された際に冷却水流通マニホールド１２０に存在していた比較的高温の水が一周するために、入口ｐ１においても温度が０℃以上になる可能性が高い。そこで、この場合、入口温度は０℃以上であると特定するようにしている。
【００３７】
図４に示すように、上述した入口温度比較判定処理の実行完了後、流量制御部６２０は、入口温度比較判定処理の結果、入口温度が０℃以上であると特定されたか否かを判定する（ステップＳ１１０）。流量制御部６２０は、入口温度が０℃以上であると特定されたと判定されないと、換言すると、入口温度が０℃よりも低いと特定されたと判定されると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、通常運転時よりも少ない流量で冷却水を循環させる（ステップＳ１１５）。「通常運転時よりも少ない流量」とは、通常運転時において燃料電池１００の発熱量が同じ場合の流量よりも少ない流量を意味する。具体的には、流量制御部６２０は、上述のステップＳ２０５で取得された出口温度と燃料電池１００の発電量とに基づき、発熱量マップを参照して燃料電池１００の発熱量を求める。なお、燃料電池１００の発熱量が３つのラインＬ１１〜Ｌ１３のいずれかに対応する発熱量でない場合、より近い発電量に対応するラインを用いて内挿法により、燃料電池１００の発熱量が求められる。そして、流量制御部６２０は、求められた発熱量と出口温度とに基づき冷却水量マップを参照して冷却水の流量を決定し、決定された流量となるように循環用ポンプ４４０を制御する。なお、燃料電池１００の発電量は、電流計５３０で測定された電流値と電圧計５４０で測定された電圧値とから求めることができる。
【００３８】
ステップＳ１１５が実行される場合、出口温度は０℃よりも低い可能性が高いので、上述のように、冷却水流量が図２に示す６つのラインＬ１〜Ｌ６に基づき決定される可能性は高い。なお、本実施形態では、出口温度が６つのラインＬ１〜Ｌ６のいずれかのラインに対応する温度でない場合、より近い温度に対応するラインを用いて内挿法により流量が求められる。これらのラインＬ１〜Ｌ６の冷却水流量は、いずれも同じ発熱量においてラインＬｓの示す冷却水流量よりも少ない。このため、これら６つのラインＬ１〜Ｌ６に基づき決定される流量となるように循環用ポンプ４４０を制御することにより、通常運転時よりも少ない流量で冷却水を循環させることができる。通常運転時よりも少ない流量で冷却水を循環させるので、各単セル１１０において生成水が再凍結することが抑制される。加えて、各単セル１１０における発熱部位が冷却水により冷やされてしまい発熱量が低下してしまうことが抑制される。温度比較判定部６１０は、ステップＳ１１５の開始から所定期間経過するまでの間にステップＳ１１５を繰り返し実行し、所定期間を経過した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、上述のステップＳ１０５に戻る。
【００３９】
上述のステップＳ１１０において、入口温度が０℃以上であると特定されたと判定された場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、流量制御部６２０は、入口温度が暖機終了温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２５）。入口温度が暖機終了温度以上であると判定されると（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、暖機時冷却水流量制御処理は終了する。このとき、暖機運転も終了して通常運転に切り替わる。これに伴い、三方弁４３０は開かれ、冷却水流通マニホールド１２０から排出される冷却水の少なくとも一部はラジエータ４１０に送られる。また、冷却水の流量は、図２に示すラインＬｓを参照して決定されることとなる。
【００４０】
上述のステップＳ１２５において、入口温度が暖機終了温度以上でないと判定されると（ステップＳ１２５：ＮＯ）、流量制御部６２０は、通常運転時よりも多い流量で冷却水を循環させる（ステップＳ１３０）。「通常運転時よりも多い流量」とは、通常運転時において燃料電池１００の発熱量が同じ場合の流量よりも多い流量を意味する。具体的には、流量制御部６２０は、上述のステップＳ２０５で取得された出口温度と燃料電池１００の発電量とに基づき、発熱量マップを参照して燃料電池１００の発熱量を求める。そして、流量制御部６２０は、求められた発熱量と出口温度とに基づき冷却水量マップを参照して冷却水の流量を決定し、決定された流量となるように循環用ポンプ４４０を制御する。このとき参照される冷却水マップは、出口温度が０℃よりも高いため、図２に示すラインＬ７である。このラインＬ７の冷却水流量は、同じ発熱量においてラインＬｓの示す冷却水流量よりも多い。このため、ラインＬ７に基づき決定される流量となるように循環用ポンプ４４０を制御することにより、通常運転時よりも多い流量で冷却水を循環させることができる。通常運転時よりも多い流量で冷却水を循環させるので、各単セル１１０間において熱のやりとりが促進され、単セル１１０同士の熱分布の発生が抑制される。これにより、暖機時間が短縮される。
【００４１】
温度比較判定部６１０は、ステップＳ１３０の開始から所定期間経過するまでの間にステップＳ１３０を繰り返し実行し、所定期間を経過した場合（ステップＳ１３５：ＹＥＳ）、上述のステップＳ１０５に戻る。
【００４２】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、入口ｐ１の温度が、生成水が再凍結しない温度範囲の下限値よりも低い場合には、冷却水の流量を通常運転時の流量よりも少なくしている。このため、各単セル１１０において生成水が再凍結することを抑制できると共に、各単セル１１０における発熱部位が冷却水により冷やされて発熱量が低下してしまうことを抑制できる。また、入口ｐ１の温度が、生成水が再凍結しない温度範囲の下限値以上の場合には、冷却水の流量を通常運転時の流量よりも多くしている。このため、各単セル１１０間における熱のやりとりを促進でき、単セル１１０同士の熱分布の発生を抑制できる。これらのことから、燃料電池システム１０では、燃料電池１００全体の昇温時間を短くでき、暖機運転に要する時間を短縮できる。
【００４３】
また、燃料電池システム１０では、冷却水の流量を通常運転時よりも少ない状態から多い状態に切り替えるタイミングの判断に用いる温度として、入口温度が用いられる。つまり、入口温度が所定温度（０℃）以上である場合に、冷却水の流量を、常運転時よりも少ない状態から多い状態に切り替えている。このように、入口温度を用いて切り替えるタイミングを判断するので、かかる判断を適切に行なうことができる。入口温度は、循環流路Ｒ１において最も低い温度である。したがって、かかる温度が、生成水が再凍結しない温度範囲の下限値よりも高い場合には、循環流路Ｒ１のいずれの位置においても、生成水が再凍結しない温度範囲の下限値よりも高い温度となっている。このため、冷却水の流量を通常運転時よりも多い状態に切り替えても、各単セル１１０において生成水の再凍結が生じる可能性は低い。
【００４４】
また、出口温度が０℃以上の場合に、循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却媒体の循環が完了するまで入口温度が０℃以上であると推定しないので、入口温度が０℃以上であるか否かを正確に判定できる。加えて、温度センサ４５０を出口ｐ２近傍に配置するので、入口ｐ１近傍に温度センサを配置せずに済む。このため、入口ｐ１近傍における空きスペースをより大きく確保でき、循環用ポンプ４４０の取り付け作業を簡易にできると共に、循環用ポンプ４４０としてより大きなポンプを用いることができる。
【００４５】
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、入口温度が０℃よりも低いと特定された場合に用いられる冷却水流量マップ（図２に示す６つのラインＬ１〜Ｌ６）では、発熱量が増加するにしたがって冷却水流量が増加するように設定されていたが、本発明は、これに限定されない。例えば、６つのラインＬ１〜Ｌ６に代えて、発熱量に関わらずに冷却水量がゼロであるラインが設定されてもよい。この構成においても、発熱量が同じ場合にラインＬｓに比べて少ない冷却水量が設定されていることとなる。また、入口温度が０℃よりも低いと特定された場合に用いられる冷却水流量マップとして、６つのラインＬ１〜Ｌ６に代えて、ラインＬｓを用いてもよい。この構成においても、入口温度が０℃以上であると特定された場合にラインＬ７が用いられることによって各単セル１１０間の熱のやりとりが促進されるため、入口温度が０℃以上になってからの暖機運転に要する時間を短縮できる。
【００４６】
また、入口温度が０℃以上の場合に用いられる冷却水流量マップ（図２に示すラインＬ７）では、発熱量に関わらず一定の流量Ｆａが設定されていたが、流量Ｆａに代えて、任意の一定値の流量が設定されていてもよい。また、このラインＬ７は、６つのラインＬ１〜Ｌ６と同様に、発熱量が増加するにしたがって冷却水流量が増加するように設定されていてもよい。この構成では、いずれの発熱量においても、ラインＬ７には、ラインＬｓの冷却水流量よりも多い冷却水流量が設定されていることが好ましい。
【００４７】
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、出口温度に基づき、入口温度が０℃以上であるか否かを特定していたが、本発明はこれに限定されない。出口ｐ２に代えて、または、出口ｐ２に加えて入口ｐ１に温度センサを配置し、かかる温度センサにより得られた温度を入口温度として取扱い、０℃以上であるか否かを判定してもよい。この構成では、入口温度比較判定処理を簡略化できるので、暖機時冷却水流量制御処理に要する時間を短縮できる。
【００４８】
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、入口温度比較判定処理は、暖機時冷却水流量制御処理の一手順として実行されていたが、暖機時冷却水流量制御処理とは独立した処理として実行されてもよい。この構成では、入口温度比較判定処理が繰り返し実行され、暖機時冷却水流量制御処理の最初の工程として、入口温度比較判定処理の最新の処理結果を取得するという工程を設けてもよい。
【００４９】
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、単セル１１０内の生成水が再凍結しない温度範囲の下限値として０℃を採用していたが、０℃に限らず、任意の温度を設定してもよい。例えば、−５℃や−１０℃や＋３℃など、使用環境や冷却媒体の種類等に応じた適切な温度を設定することが好ましい。
【００５０】
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態の入口温度比較判定処理では、出口温度が０℃以上と判定された場合に、さらに、判定期間に循環流路Ｒ１一周分の体積の冷却水が循環したと判定された場合に入口温度が０℃以上であると推定されていたが、本発明はこれに限定されない。出口温度が０℃以上と判定された場合に、さらに、少なくとも外部流路分の体積の冷却水が循環したと判定された場合に入口温度が０℃以上であると推定されてもよい。少なくとも外部流路分の体積の冷却水が循環した場合、０℃以上であると判定された時点において出口ｐ２にあった水は、外部流路を通って少なくとも入口ｐ１に達している。このため、入口ｐ１の温度が０℃以上となる可能性があるからである。
【００５１】
Ｂ６．変形例６：
上記実施形態において、燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池自動車に代えて、電気自動車等の駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として、例えば、オフィスや家庭において屋内または屋外に設置されて用いられてもよい。また、燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池として構成してもよい。
【００５２】
Ｂ７．変形例７：
上記実施形態における燃料電池システム１０の構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、第２燃料ガス排出路２６４と酸化剤ガス排出路３３２とを接続させずに、それぞれ独立してオフガスを排出する構成としてもよい。また、バイパス流路４２３を省略してもよい。この構成においては、暖機運転時にラジエータ４１０のファンを停止させておくことが好ましい。また、この構成においては、冷却水排出路４２２とラジエータ４１０と冷却水供給路４２１と循環用ポンプ４４０とが、請求項における外部流路に相当する。また、燃料電池システム１０では、出口温度が０℃よりも低い場合に暖機運転が実行されていたが、０℃以上の任意の温度以下の場合に暖機が行われてもよい。また、冷却水流量は、冷却水マップを参照して決定されていたが、燃料電池１００の発熱量と、出口温度と、冷却水流量との関係を示す関係式を用いて演算することにより決定されてもよい。また、燃料電池システム１０では、燃料電池１００の発熱量を、発熱量マップを参照して求めていたが、所定の関係式を用いて演算して求めてもよい。例えば、燃料電池１００全体の理論起電圧（例えば、１．４Ｖ×単セル数）から燃料電池１００の出力電圧値（動作点の電圧値）を差し引き、得られた電圧に電流値（動作点の電流値）を掛け合わせて求めてもよい。
【００５３】
Ｂ８．変形例８：
上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
【００５４】
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１１…集電板
１２０…冷却水流通マニホールド
２００…燃料ガス供給排出機構
２１０…水素タンク
２２０…遮断弁
２２１…インジェクタ
２３０…気液分離器
２４０…循環用ポンプ
２５０…パージ弁
２６１…燃料ガス供給路
２６２…第１燃料ガス排出路
２６３…燃料ガス循環路
２６４…第２燃料ガス排出路
３００…酸化剤ガス供給排出機構
３１０…エアクリーナ
３２０…エアコンプレッサ
３３１…酸化剤ガス供給路
３３２…酸化剤ガス排出路
３４０…背圧弁
４００…燃料電池循環冷却機構
４１０…ラジエータ
４２１…冷却水供給路
４２２…冷却水排出路
４２３…バイパス流路
４３０…三方弁
４４０…循環用ポンプ
４５０…温度センサ
５００…電力充放電機構
５１０…負荷装置
５２０…インバータ
５３０…電流計
５４０…電圧計
５５０…バッテリー
６００…制御装置
６１０…温度比較判定部
６２０…流量制御部
６３０…暖機制御部
６４０…発熱量特定部
６５０…運転制御部
６６０…冷却水流量マップ格納部
６７０…発熱量マップ格納部
Ｒ１…循環流路
ｐ１…入口
ｐ２…出口
ＳＤ…積層方向
Ｆａ…流量
Ｌｓ，Ｌ１〜Ｌ７，Ｌ１１〜Ｌ１３…ライン
【図１】
2016091921.tif 000003
【図２】
2016091921.tif 000004
【図３】
2016091921.tif 000005
【図４】
2016091921.tif 000006
【図５】
2016091921.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月9日(2016.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、を有する燃料電池システムにおける前記冷却媒体の流量制御方法であって、
（ａ）前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する工程と、
（ｂ）前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、さらに、
（ｃ）前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記通常流量に比べて少なくなるように調整する工程、を備える、方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法において、さらに、
（ｄ）前記燃料電池の温度を取得する工程と、
（ｅ）前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記通常流量に調整する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とは、いずれも前記燃料電池システムの氷点下始動時に暖機運転が実行されている期間において、前記燃料電池の温度が前記暖機運転の終了時の温度として予め定められている終了温度よりも低い間に実行され、且つ、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に終了し、
前記工程（ｅ）は、前記燃料電池の温度が前記終了温度以上になった場合に実行される、方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法において、
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記循環流路内の前記内部流路の出口における前記冷却媒体の温度である出口温度を取得する工程と、
（ａ２）前記出口温度が前記下限温度以上であるか否かを判定する工程と、
（ａ３）前記出口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記出口温度が前記下限温度以上であると前回判定されてから今回判定されるまでの経過期間に、前記循環流路のうちの少なくとも前記外部流路の体積に相当する所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過したか否かを判定する工程と、
（ａ４）前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を経過したと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上であると判定し、前記工程（ａ２）において前記出口温度が前記下限温度以上でないと判定された場合、または前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過していないと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定する工程と、
を有する、方法。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、
前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、
前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する温度比較判定部と、
前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する流量制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池の内部に形成されている冷却媒体の内部流路と、前記燃料電池の外部に形成され、前記内部流路と接続されて前記冷却媒体の循環流路を形成する外部流路と、を有する燃料電池システムにおける前記冷却媒体の流量制御方法が提供される。この方法は、（ａ）前記循環流路内の前記内部流路への入口における前記冷却媒体の温度である入口温度が、前記燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上であるか否かを判定する工程と；（ｂ）前記入口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記循環流路における前記冷却媒体の流量を、前記燃料電池の通常運転時において前記燃料電池の発熱量が同じ場合における前記冷却媒体の流量である通常流量に比べて多くなるように調整する工程と；を備える。
この形態の方法によれば、入口温度が燃料電池内において生成水が凍結しない温度範囲の下限温度以上である場合に、循環流路における冷却媒体の流量が通常流量に比べて多くなるように調整されるので、燃料電池内における熱の伝導を促進して燃料電池内における温度分布の発生を抑制できる。このため、燃料電池全体の昇温時間を短くでき、燃料電池システムの暖機運転に要する時間を短縮できる。また、この形態の方法では、工程（ａ）の結果に応じて冷却媒体の流量を通常流量に比べて多くなるように調整し、その工程（ａ）の判定において用いる温度として入口温度を用いている。ここで、入口温度は、循環流路において最も低い温度であるので、かかる温度が生成水が再凍結しない温度範囲の下限値よりも高い場合には、循環流路のいずれの位置においてもこの下限値よりも高い温度である。したがって、冷却媒体の流量を通常流量よりも多くなるように調整した結果燃料電池において生成水の再凍結が生じることを、工程（ａ）において他の部位の温度を用いる場合に比べてより確実に抑制できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
（４）上記形態の方法において、前記工程（ａ）は、（ａ１）前記循環流路内の前記内部流路の出口における前記冷却媒体の温度である出口温度を取得する工程と；（ａ２）前記出口温度が前記下限温度以上であるか否かを判定する工程と；（ａ３）前記出口温度が前記下限温度以上であると判定された場合に、前記出口温度が前記下限温度以上であると前回判定されてから今回判定されるまでの経過期間に、前記循環流路のうちの少なくとも前記外部流路の体積に相当する所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過したか否かを判定する工程と；（ａ４）前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を経過したと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上であると判定し、前記工程（ａ２）において前記出口温度が前記下限温度以上でないと判定された場合、または前記工程（ａ３）において前記経過期間に前記所定体積の前記冷却媒体が前記入口を通過していないと判定された場合に、前記入口温度が前記下限温度以上でないと判定する工程と；を有してもよい。この形態の方法によれば、出口温度が下限温度以上であると判定された場合に、経過期間に外部流路の体積に相当する所定体積の冷却媒体が入口を通過するまで、入口温度が下限温度以上であると判定しないので、入口温度が下限値以上であるか否かの判定を正確に行なうことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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