(57)【要約】【課題】  氷点下起動時に生成水の再氷結を抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム（３００）は、カソードとカソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（４８，４９）とが設けられた燃料電池（１００）と、燃料電池の氷点下起動時に、酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整手段（２３０，２４０）と、を備える。この構成によれば、生成水の再氷結を抑制することができる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池と、
前記燃料電池の氷点下起動時に、前記酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度調整手段は、前記酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と、前記酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、前記第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量および前記第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量を制御する流量制御手段と、を備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が前記第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流量制御手段は、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第２冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度調整手段は、前記酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と前記酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、を備え、
前記第２冷却媒体流路の断面積は、前記第１冷却媒体流路の断面積に比較して小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
カソードと前記カソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の氷点下起動時に、前記酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整ステップを含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池は、前記酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と前記酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、を備え、
前記温度調整ステップは、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が前記第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御するステップであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の制御方法。
【請求項７】
前記温度調整ステップは、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第２冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止するステップであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。
【０００４】
この燃料電池を氷点下において始動させると、カソードで生成された水が凍結して、有効発電面積が減少することがある。そこで、ヒータを備える第２冷却水通路を設け、低温起動時にヒータによって加熱された冷却液を燃料電池に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、酸化剤ガス流路の出口側で生成水が再氷結するおそれがある。この場合、発電性能が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、氷点下起動時に生成水の再氷結を抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、カソードとカソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池と、燃料電池の氷点下起動時に酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、氷点下起動時において、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。それにより、発電性能低下が抑制される。
【０００９】
温度調整手段は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と、酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量および第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量を制御する流量制御手段と、を備え、流量制御手段は、燃料電池の氷点下起動時に、第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御してもよい。この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。
【００１０】
流量制御手段は、燃料電池の氷点下起動時に、第２冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止してもよい。この場合、酸化剤ガス下流側の温度上昇を促進することができる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結がより抑制される。
【００１１】
温度調整手段は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、を備え、第２冷却媒体流路の断面積は、第１冷却媒体流路の断面積に比較して小さくてもよい。この場合、第２冷却媒体を流動する冷却媒体流量は、第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量に比較して少なくなる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、カソードとカソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池の制御方法であって、燃料電池の氷点下起動時に、酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整ステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の制御方法においては、氷点下起動時において、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。それにより、発電性能低下が抑制される。
【００１３】
燃料電池は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第１冷却媒体流路と酸化剤ガス流路の下流側に形成された第２冷却媒体流路と、を備え、温度調整ステップは、燃料電池の氷点下起動時に、第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が第１冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御するステップであってもよい。この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。
【００１４】
温度調整ステップは、燃料電池の氷点下起動時に、第２冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止するステップであってもよい。この場合、酸化剤ガス下流側の温度上昇を促進することができる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結がより抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、氷点下起動時に生成水の再氷結を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム３００の概略を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム３００は、燃料電池スタック１００、燃料ガス供給手段２１０、酸化剤ガス供給手段２２０、冷却媒体供給手段２３０および制御部２４０を備える。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、積層体１１０がエンドプレート１２０ａとエンドプレート１２０ｂとによって挟持された構造を有する。積層体１１０は、複数の単セル１３０が積層された構造を有する。燃料ガス供給手段２１０は、制御部２４０の指示に従って、水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給する手段である。酸化剤ガス供給手段２２０は、制御部２４０の指示に従って、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック１００に供給する手段である。
【００１９】
冷却媒体供給手段２３０は、制御部２４０の指示に従って、エチレングリコール等の冷却媒体を燃料電池スタック１００に供給する手段である。冷却媒体供給手段２３０の詳細は、後述する。制御部２４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、燃料ガス供給手段２１０、酸化剤ガス供給手段２２０および冷却媒体供給手段２３０を制御する手段である。
【００２０】
続いて、単セル１３０の詳細について説明する。図２は、単セル１３０の模式的断面図である。図２においては、複数の単セル１３０が積層されている場合が示されている。図２に示すように、単セル１３０は、シールガスケット一体型ＭＥＡ（膜電極接合体）２０が２枚のセパレータ１０によって挟持された構造を有する。セパレータ１０は、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
【００２１】
シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびシールガスケット２２を備える。ＭＥＡ２１は、プロトン導電性を備える電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）がアノードとして機能し、ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）がカソードとして機能する。
【００２２】
ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）には、多孔体流路２３が配置されている。ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）には、多孔体流路２４が配置されている。多孔体流路２３，２４は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。多孔体流路２３，２４は、セパレータ１０のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
【００２３】
図３は、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の詳細について説明するための図である。図３（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図３（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図３（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図３（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。
【００２４】
カソード対向プレート１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１においてＭＥＡ２１と対向する部分（以下、発電領域Ｘと称する）は平面である。カソード対向プレート１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆ、冷却媒体供給マニホールド４３ａ，４３ｂおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｃ，４３ｄが形成されている。
【００２６】
酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃは、カソード対向プレート１１の一辺近傍に辺方向に沿って形成されている。酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆは、その対辺近傍に辺方向に沿って形成されている。冷却媒体供給マニホールド４３ａ，４３ｂは、残りの２辺のうち一方の近傍に辺方向に沿って形成されている。冷却媒体排出マニホールド４３ｃ，４３ｄは、その対辺近傍に辺方向に沿って形成されている。
【００２７】
本実施例においては、冷却媒体供給マニホールド４３ａは冷却媒体供給マニホールド４３ｂよりも酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃ側に形成されている。また、冷却媒体排出マニホールド４３ｃは、冷却媒体排出マニホールド４３ｄよりも酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃ側に形成されている。また、カソード対向プレート１１には、複数の酸化剤ガス供給孔４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出孔４４ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート１１を厚さ方向に貫通している。
【００２８】
図３（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１３は、カソード対向プレート１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１３における発電領域Ｘは平面である。
【００２９】
カソード対向プレート１１と同様に、アノード対向プレート１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆ、冷却媒体供給マニホールド４３ａ，４３ｂおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｃ，４３ｄが形成されている。また、アノード対向プレート１３には、燃料ガス供給用のコモンレール４５ａおよび燃料ガス排出用のコモンレール４５ｂが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。
【００３０】
図３（ｃ）に示すように、中間プレート１２は、カソード対向プレート１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。カソード対向プレート１１と同様に、中間プレート１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆが形成されている。
【００３１】
また、中間プレート１２には、一端が燃料ガス供給マニホールド４１ａに連通し、他端がコモンレール４５ａに連通する複数の燃料ガス供給流路４６ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が燃料ガス排出マニホールド４１ｂに連通し、他端がコモンレール４５ｂに連通する複数の燃料ガス排出流路４６ｂが形成されている。
【００３２】
さらに、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃのいずれかに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔４４ａに連通する複数の酸化剤ガス供給流路４７ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路４７ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｃに連通する複数の第１冷却媒体流路４８が形成されている。さらに、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ｂに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｄに連通する複数の第２冷却媒体流路４９が形成されている。上記各流路は、中間プレート１２を厚さ方向に貫通している。
【００３３】
図３（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にシールガスケット２２が接合された構造を有する。シールガスケット２２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。シールガスケット２２は、金型のキャビティにＭＥＡ２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ２１とシールガスケット２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
【００３４】
カソード対向プレート１１と同様に、シールガスケット２２には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆ、冷却媒体供給マニホールド４３ａ，４３ｂおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｃ，４３ｄが形成されている。シールガスケット２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１０をシールしている。また、シールガスケット２２は、ＭＥＡ２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
【００３５】
続いて、燃料電池スタック１００の発電時の燃料電池システム３００の動作の概要について説明する。まず、制御部２４０は、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給されるように燃料ガス供給手段２１０を制御する。この燃料ガスは、燃料ガス供給流路４６ａおよびコモンレール４５ａを介して、多孔体流路２３に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体流路２３を流動しつつ、ＭＥＡ２１のアノード側ガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、ＭＥＡ２１の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンはＭＥＡ２１の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
【００３６】
一方、制御部２４０は、酸素を含有する酸化剤ガスが酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ〜４２ｃに供給されるように酸化剤ガス供給手段２２０を制御する。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路４７ａを介して、多孔体流路２４に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体流路２４を流動しつつ、ＭＥＡ２１のカソード側ガス拡散層に供給される。ＭＥＡ２１のカソード側触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。この化学反応により、熱が発生する。発生した電力は、セパレータ１０を介して回収される。
【００３７】
また、制御部２４０は、冷却媒体供給マニホールド４３ａ，４３ｂに冷却媒体が供給されるように冷却媒体供給手段２３０を制御する。冷却媒体供給マニホールド４３ａに供給された冷却媒体は、第１冷却媒体流路４８を流動し冷却媒体排出マニホールド４３ｃを介して外部に排出される。冷却媒体供給マニホールド４３ｂに供給された冷却媒体は、第２冷却媒体流路４９を流動し冷却媒体排出マニホールド４３ｄを介して外部に排出される。それにより、燃料電池スタック１００が冷却される。その結果、燃料電池スタック１００の温度を適切な温度に調整することができる。
【００３８】
なお、発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール４５ｂ、燃料ガス排出流路４６ｂおよび燃料ガス排出マニホールド４１ｂを介して外部に排出される。さらに、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４７ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｄ〜４２ｆを介して外部に排出される。
【００３９】
ここで、燃料電池スタック１００の氷点下起動について考える。氷点下で燃料電池スタック１００が発電を開始すると、発電に伴う発熱によって燃料電池スタック１００の温度が徐々に上昇する。しかしながら、発電に伴って生成された水分が排出されるまでに再氷結することがある。この場合、有効発電面積が減少する。それにより、発電性能が低下するおそれがある。
【００４０】
図４は、低温起動時における発電分布の実験結果を示す図である。図４（ａ）に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド４２ｃから酸化剤ガス排出マニホールド４２ｆまでの間の発電領域Ｘをテストピースとして用いた。このテストピースを３×５に分割し、−１０℃で一定に保持した状態で、各領域の電流密度を測定した。
【００４１】
図４（ｂ）は、時間の経過に伴う電流密度変化を示す図である。図４（ｂ）に示すように、発電開始時には、面内全体でほぼ均一に発電が行われていた。しかしながら、時間の経過とともに、酸化剤ガスの下流側において電流密度が低下した。これは、発電に伴って生成された水分が再氷結しているからであると考えられる。さらに時間が経過すると、面内の一部の領域だけで発電が行われるようになった。
【００４２】
このように、低温起動時においては、酸化剤ガス下流側において発電性能が低下し、徐々に全体の発電性能が低下することがわかった。そこで、本実施例においては、氷点下起動時に、冷却媒体流量を調整する。以下、燃料電池スタック１００の氷点下起動時における燃料電池システム３００の動作を説明する。
【００４３】
図５は、氷点下起動時（例えば−３５℃〜０℃）における燃料電池システム３００の動作を説明するための模式図である。図５に示すように、冷却媒体供給手段２３０は、冷却媒体の流量を調整するための流量調整弁２３１と、冷却媒体の温度を検出するための温度センサ２３２と、を備える。本実施例においては、温度センサ２３２は、冷却媒体排出マニホールド４３ｃ，４３ｄよりも下流側の冷却媒体の温度を検出する。燃料電池スタック１００の温度を精度良く検出することができるからである。
【００４４】
まず、制御部２４０は、燃料ガス供給手段２１０および酸化剤ガス供給手段２２０を制御して燃料電池スタック１００に発電をさせる。次に、制御部２４０は、温度センサ２３２の検出結果に基づいて冷却媒体の温度が氷点下であるか否かを判定する。冷却媒体の温度が氷点下である場合、制御部２４０は、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体供給量が第１冷却媒体流路４８への冷却媒体供給量に比較して少なくなるように流量調整弁２３１を制御する。
【００４５】
この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の冷却媒体の流量が少なくなる。それにより、酸化剤ガス下流側を流動する氷点下の冷却媒体の流量が少なくなることから、発電に伴う発熱による酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。その結果、酸化剤ガスに含まれる発電生成水の酸化剤ガス下流側における再氷結が抑制される。以上のことから、有効発電面積の減少を抑制することができる。
【００４６】
なお、本実施例においては、第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体流量を低減させたが、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体の供給を停止してもよい。この場合、酸化剤ガス下流側においては氷点下の冷却媒体が流動しないことから、酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。
【００４７】
ここで、氷点下起動時に第１冷却媒体流路４８および第２冷却媒体流路４９への冷却媒体の供給を停止することも考えられる。発電に伴う発熱によって燃料電池スタック１００の温度上昇が促進されるからである。しかしながら、この場合、燃料電池スタック１００の平均温度の検出が困難になるため、燃料電池スタック１００の制御が困難になるおそれがある。また、冷却媒体の循環を停止すると、カソード触媒層において局所的に温度が上昇することになる。この場合、燃料電池スタック１００の各部が損傷するおそれがある。したがって、冷却媒体はできるだけ循環していることが好ましい。本実施例においては、冷却媒体の循環が部分的に停止または抑制されるにすぎないので、燃料電池スタック１００の各部の損傷等を抑制しつつ、効率よく燃料電池スタック１００を起動することができる。
【００４８】
図６に、氷点下起動時のフローチャートの一例を示す。このフローチャートが実行される際には、燃料電池スタック１００において発電が開始されている。図６に示すように、制御部２４０は、温度センサ２３２の検出結果を受け取って冷却媒体の温度Ｔを取得する（ステップＳ１）。次に、制御部２４０は、冷却媒体の温度Ｔが０℃未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００４９】
ステップＳ２において冷却媒体の温度Ｔが０℃未満であると判定されなかった場合には、制御部２４０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２において冷却媒体の温度Ｔが０℃未満であると判定された場合、制御部２４０は、第１冷却媒体流路４８を流動する冷却媒体の流量よりも第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体の流量が少なくなるように、流量調整弁２３１を制御する（ステップＳ３）。
【００５０】
次に、制御部２４０は、温度センサ２３２の検出結果を受け取って冷却媒体の温度Ｔを再度取得する（ステップＳ４）。次いで、制御部２４０は、冷却媒体の温度Ｔが０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において冷却媒体の温度Ｔが０℃以上であると判定されなかった場合、制御部２４０は、再度ステップＳ４を実行する。ステップＳ５において冷却媒体の温度Ｔが０℃以上であると判定された場合、制御部２４０は、第１冷却媒体流路４８および第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体流量が同じになるように流量調整弁２３１を制御する（ステップＳ６）。その後、制御部２４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５１】
このフローチャートの実行により、冷却媒体の温度が氷点下から０℃になるまでの間、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の冷却媒体の流量が少なくなる。それにより、酸化剤ガスに含まれる発電生成水の酸化剤ガス下流側における再氷結が抑制される。その結果、有効発電面積の減少を抑制することができる。
【００５２】
図７（ａ）は、氷点下起動時における、第１冷却媒体流路４８および第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体流量の一例を示す図である。図７（ａ）に示すように、氷点下起動時点においては、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体供給を停止し、第１冷却媒体流路４８だけに冷却媒体を供給する。その後、徐々にまたは段階的に第２冷却媒体流路４９への冷却媒体流量を増加させて、冷却媒体の温度が０℃以上になった場合に第１冷却媒体流路４８および第２冷却媒体流路４９への冷却媒体の供給量を等しくする。このように冷却媒体流量を制御することによって、酸化剤ガス出口側における水分の再氷結を効率よく抑制することができる。
【００５３】
なお、図７（ｂ）は、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体供給を停止した場合の温度分布を示す。図７（ｂ）に示すように、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体供給を停止することによって、酸化剤ガス出口側の温度は酸化剤ガス入口側に比較して温度が高くなる。
【００５４】
また、高温時（例えば冷却媒体温度が８０℃以上）には、電解質膜が乾燥して発電性能が低下するおそれがある。そこで、図８（ａ）に示すように、高温時には第１冷却媒体流路４８を流動する冷却媒体の流量よりも第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体の流量が多くなるように、流量調整弁２３１を制御してもよい。この場合、酸化剤ガスの出口側の温度が低下することによって、酸化剤ガス出口側からの水分の排出が抑制される。それにより、電解質膜の乾燥が抑制される。なお、流量調整弁の代わりに冷却水ポンプを配置し、第１冷却媒体流路４８の流量を変えずに第２冷却媒体流路４９の流量を増加させると、さらに大きな効果が得られる。
【００５５】
なお、図８（ｂ）は、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体流量を増加させた場合の温度分布を示す。ここで、本来であれば、酸化剤ガスの出口側かつ冷却媒体の出口側の領域が高温になる。しかしながら、図８（ｂ）に示すように、第２冷却媒体流路４９への冷却媒体流量を増加させることによって、酸化剤ガス出口側かつ冷却媒体の出口側の領域の温度上昇が抑制される。それにより、面内温度の均一化を測ることができる。
【００５６】
なお、本実施例においては、冷却媒体供給手段２３０および制御部２４０が温度調整手段に相当し、流量調整弁２３１が流量制御手段に相当する。
【実施例２】
【００５７】
図９は、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム３００ａを説明するための模式図である。本実施例においては、図９に示すように、第２冷却媒体流路４９の断面積が第１冷却媒体流路４８の断面積よりも小さく設定されている。この場合、第２冷却媒体流路４９を流動する冷却媒体流量は第１冷却媒体流路４８を流動する冷却媒体流量に比較して少なくなる。したがって、低温起動時における発電生成水の再氷結を抑制することができる。それにより、発電性能低下を抑制することができる。
【００５８】
なお、上記各実施例においては、冷却媒体を２種類の流路に分けて各流路の流量が調整されているが、それに限られない。３種類以上の流路に分けた場合においても、氷点下起動時に酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側を流動する冷却媒体流量を少なくすることによって、本発明の効果が得られる。また、上記各実施例においては、冷却媒体を用いて温度を調整しているが、それに限られない。例えば、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度を上昇させるヒータ等を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの概略を示す模式図である。
【図２】単セルの模式的断面図である。
【図３】セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。
【図４】低温起動時における発電分布の実験結果を示す図である。
【図５】氷点下起動時における燃料電池システムの動作を説明するための模式図である。
【図６】氷点下起動時のフローチャートの一例を示す図である。
【図７】氷点下起動時における、第１および第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量の一例を示す図である。
【図８】高温運転時における、第１および第２冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量の一例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムを説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００  燃料電池スタック
１３０  単セル
２３０  冷却媒体供給手段
２４０  制御部
４２ａ〜４２ｃ  酸化剤ガス供給マニホールド
４２ｄ〜４２ｆ  酸化剤ガス排出マニホールド
４３ａ，４３ｂ  冷却媒体供給マニホールド
４３ｃ，４３ｄ  冷却媒体排出マニホールド
４８  第１冷却媒体流路
４９  第２冷却媒体流路
２３１  流量調整弁
２３２  温度センサ
３００  燃料電池システム
【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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