(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池内部の温度ムラを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システムは、冷却液などの冷媒（熱交換媒体）を流通させる冷却系を備える。燃料電池１０内部の冷却液流路は、管路２０に接続される。管路２０は、途中に、ラジエータ２２およびポンプ２４を備える。ポンプ２４の回転方向を、正方向の状態、逆方向の状態、正方向の状態の順番で切り換えながらシステムを運転する。【選択図】図１
2009245802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を流通させるための冷媒流路を備えた燃料電池と、
前記冷媒流路内の冷媒に流れを生じさせる冷媒流通機構と、
前記冷媒流路内の冷媒の流れの方向を、第１の方向と、該第１の方向と反対の第２の方向とに切り替えることができる切換手段と、
前記第１の方向、前記第２の方向、前記第１の方向の順番で前記冷媒流路内の冷媒の流れの方向を切り換える制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段が、前記第１の方向に冷媒を流す場合と前記第２の方向に冷媒を流す場合の少なくとも一方の場合に、前記燃料電池内の前記冷媒通路の総容積以上の量の冷媒を流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の方向と前記第２の方向のうち一方の方向に前記冷媒を流す量を他方の方向に該冷媒を流す量よりも少なくして、該第１の方向と該第２の方向の切り換えを行う運転モードを有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の温度を検知する検知手段と、
前記燃料電池の始動時に、該燃料電池の温度が所定温度を下回っている場合に、前記制御手段による前記冷媒の流れの方向の切り換えを実行する始動手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開平１０−３４０７３４号公報に開示されているように、冷却系内で冷媒を循環させることにより、燃料電池内部の温度を所望の温度に調整する燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、通常、冷却系内にラジエータが含まれている。冷却系内の冷媒の流通量を増大させるほど、ラジエータを介して冷媒から多くの熱が放出され、その結果、燃料電池が積極的に冷却される。
【０００３】
燃料電池内の冷媒の流通は、燃料電池を冷やすという役割とともに、燃料電池内の温度ムラを抑制する役割も担っている。冷媒の流量を変化させると、燃料電池内部の温度ムラを緩和する効果もこれに応じて変化する。上記従来の燃料電池システムでは、この点を生かして、燃料電池内部の温度の分布状態が大きい場合、すなわち、燃料電池内部の温度ムラが大きいと認められる場合に、単位時間当たりの冷媒の流量を大きくしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３４０７３４号公報
【特許文献２】特開２００７−８７７７９号公報
【特許文献３】特開２００３−２２３９１５号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、冷却系に対して多様な要求がある場合、従来の技術では十分に応えられない状況も考えられる。
【０００６】
例えば、燃料電池の低温時など熱の積極的な放出を控えたいという要求がある場合、上記従来の燃料電池システムの冷却系では、冷媒の循環流量を抑えてラジエータを介して放出される熱量を少なくすることも考えられる。しかしながら、これに付随して燃料電池内部の温度ムラを緩和する機能が低下し、温度ムラ緩和効果が不要に低下するという不都合が生じてしまう。
【０００７】
そこで、本願発明者は鋭意研究を行ったところ、燃料電池内部の温度ムラを抑制することができる他の手法を見出した。
【０００８】
この発明は、燃料電池内部の温度ムラを抑制することができる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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
冷媒を流通させるための冷媒流路を備えた燃料電池と、
前記冷媒流路内の冷媒に流れを生じさせる冷媒流通機構と、
前記冷媒流路内の冷媒の流れの方向を、第１の方向と、該第１の方向と反対の第２の方向とに切り替えることができる切換手段と、
前記第１の方向、前記第２の方向、前記第１の方向の順番で前記冷媒流路内の冷媒の流れの方向を切り換える制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段が、前記第１の方向に冷媒を流す場合と前記第２の方向に冷媒を流す場合の少なくとも一方の場合に、前記燃料電池内の前記冷媒通路の総容積以上の量の冷媒を流すことを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記制御手段は、前記第１の方向と前記第２の方向のうち一方の方向に前記冷媒を流す量を他方の方向に該冷媒を流す量よりも少なくして、該第１の方向と該第２の方向の切り換えを行う運転モードを有することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、
前記燃料電池の温度を検知する検知手段と、
前記燃料電池の始動時に、該燃料電池の温度が所定温度を下回っている場合に、前記制御手段による前記冷媒の流れの方向の切り換えを実行する始動手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、燃料電池の冷媒流路を経由して往復するような冷媒の流動を生じさせて、燃料電池内部の温度ムラを緩和することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、冷媒を一旦燃料電池の外部へと出して、その過程で冷媒を十分に混合することができる。これにより、燃料電池に対して繰り返し流し込まれる冷媒の温度を、より均一に近づけることができる。その結果、燃料電池内部の温度ムラをより一層緩和することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、燃料電池に対して往復するように冷媒を流しながら、燃料電池に対する冷媒の全体的な位置をずらしていくことができる。このようにすることで、燃料電池に対して流入する冷媒の温度が急激に変化するのを避けることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、燃料電池の低温始動時に、燃料電池の温度を短時間で上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１． 
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示している。実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、複数個の単位セル１２が、紙面左右方向に重ねられたもの（所謂、燃料電池スタック）である。実施の形態１では、燃料電池１０を、例えば２００枚など、数百枚単位で単位セル１２が積層されたものとする。
【００１８】
単位セル１２は、図１の紙面奥行き方向に広がりを有する板状の構造物である。個々の単位セル１２は、その内部に、膜電極接合体を備えている。膜電極接合体は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成された発電体である。アノード側には、水素を含む燃料ガス（本実施形態では水素ガスとする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、カソード側には、酸素を含む酸化ガス（本実施形態では空気とする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。燃料ガスと酸化ガスの供給を受けることにより、単位セル１２内で発電反応が生じる。発電反応に伴って、単位セル１２は発熱する。
【００１９】
個々の単位セル１２の境界には、冷媒（実施の形態１では、LLC：Long life Coolantとも呼称される冷却液を用いる）を流通させるための通路（以下、「冷却液流路」とも称す）が設けられている。具体的には、単位セル１２の面内のほぼ全域を網羅するように、各単位セル１２の面内を冷却液流路が分岐して延びている。
【００２０】
図示しないが、実施の形態１の燃料電池１０は、第１、２の冷却液マニホールドを備えている。個々の単位セル１２の冷却液流路の一端は、第１の冷却液マニホールドで束ねられる。また、個々の単位セル１２の冷却液流路の他端は、第２の冷却液マニホールドで束ねられる。この第１、２の冷却液マニホールドを介して、個々の単位セル１２の冷却液流路を、燃料電池１０の外部と繋げることができる。なお、このような単位セルの構成並びに当該単位セルを積層した燃料電池の構成は公知であるため、ここでは、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
実施の形態１の燃料電池システムは、管路２０を有している。管路２０の一端は、上記の第１の冷却液マニホールドに、管路２０の他端は、上記の第２の冷却液マニホールドに、それぞれ接続している。これにより、管路２０と個々の単位セル１２の冷却液流路とを経由して、冷却液を循環させることができる。
【００２２】
管路２０は、その途中に、ラジエータ２２を備えている。ラジエータ２２は、管路２０を流れる冷却液の熱を系外に放出することができる。
【００２３】
また、管路２０は、その途中に、ポンプ２４を備えている。実施の形態１では、ポンプ２４として、その回転方向（すなわち、冷却液の流通方向）を反転させることができるものを選択しておく。これにより、燃料電池１０、管路２０およびラジエータ２２を含む循環系の内部において、冷却水を正方向または逆方向に向かって流すことができる。但し、図１紙面上において、図中に矢印を付して示すように、右回りの流れを「正方向」と称し、反対の左回りの流れを「逆方向」と称す。
【００２４】
ポンプ２４は、コントローラ２６と接続している。コントローラ２６を操作することにより、ポンプ２４の回転方向や流量を適宜に変化させることができる。
【００２５】
実施の形態１の燃料電池システムは、管路２０の燃料電池１０付近の位置に、温度センサ３０および３２を備えている。温度センサ３０は、冷却液が正方向に流れている場合の、燃料電池１０に流れ込む前の冷却液の温度（以下、この温度を「冷却液温度ｔ１」とも称す）を測定することができる。温度センサ３２は、冷却液が正方向に流れている場合の、燃料電池１０から流出した冷却液の温度（以下、この温度を「冷却液温度ｔ２」とも称す）を測定することができる。
【００２６】
実施の形態１の燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、コントローラ２６、温度センサ３０および３２に接続している。ＥＣＵ４０からコントローラ２６へと制御信号が送られることにより、ポンプ２４の回転方向を切り換えることができる。また、ＥＣＵ４０は、温度センサ３０および３２の出力を参照することにより、燃料電池１０の温度環境に関する情報を取得することができる。
【００２７】
実施の形態１では、システムの冷却液流路の全容積（具体的には、燃料電池１０内部の冷却液流路の総容積、管路２０の容積、ラジエータ２２内の容積などの総和）を、燃料電池１０内の冷却液流路の総容積に比して十分に大きく（少なくとも２倍以上、例えば、３〜４倍程度）しておく。
【００２８】
なお、以下の説明では、実施の形態１における燃料電池１０の冷却用の構成（燃料電池１０内部の冷却液流路、管路２０、ラジエータ２２およびポンプ２４）を、包括的に、「冷却系」と称すことがある。また、実施の形態１では、燃料電池１０の冷却液流路と管路２０とが接続することにより、冷却液の循環通路が構築されている。
【００２９】
［実施の形態１の動作］
（実施の形態１の基本動作）
発電反応に伴う単位セル１２の発熱量は、厳密には、個々の単位セル１２の間でばらついている。また、１枚の単位セル１２の面内においても、完全に均一に発熱するわけではない。このような発熱量のばらつき等に起因して、燃料電池１０内部には温度のばらつき（温度ムラ）が生じる。特に、数百枚単位で複数の単位セル１２が積層されている場合には、このような温度ばらつきも大きくなりやすいと考えられる。
【００３０】
実施の形態１の燃料電池システムは、ポンプ２４の回転方向を正方向または逆方向に固定して、システム内で冷却液を循環させることができる。冷却液を循環させることにより、燃料電池１０を冷やすとともに、燃料電池１０内の温度ムラを抑制することができる。
【００３１】
（実施の形態１の特徴動作）
実施の形態１では、冷却液の循環の運転に加えて、さらに、以下述べる２つの様式（それぞれ、「第１の動作」、「第２の動作」と称す）で冷却液を流しながらシステムを運転することができる。
【００３２】
（i）第１の動作
以下、図２を用いて、実施の形態１の第１の動作を説明する。図２は、縦軸にポンプ２４の単位時間当りの回転数をとり、横軸に時間をとって、ポンプ２４の挙動の時間変化を示した図である。図２において、零を境に紙面上方の回転数は、ポンプ２４が正方向に回転している状態における回転数を、零を境に紙面下方の回転数は、ポンプ２４が逆方向に回転している状態における回転数を、それぞれ意味する。正方向、逆方向の回転数の最大値は、ともに同じ値でＡと記してある（便宜上、逆方向にはマイナスの符号を付ける）。ポンプの回転数と冷却液の流量との間には相関があるので、図２の縦軸は、単位時間当りの流量（リットル／秒）として読むことができる。
【００３３】
図２において、符号５０と斜線を付した領域（以下、単に「領域５０」とも称す）の面積は、ポンプ２４の正方向側回転期間の１周期（図２中のＷ）の曲線を、時間で積分した値である。前述したように、図２の縦軸は単位時間当たりの流量として読むことができるので、領域５０の面積は、ポンプ２４が正方向側回転期間の１周期において流す流量（すなわち、期間Ｗで流れる冷却液の体積：リットル）を意味する。
【００３４】
図２に示すように、実施の形態１の第１の動作では、ポンプ２４が正方向に回転する期間と、ポンプ２４が逆方向に回転する期間とを、交互に発生させている。ここでは、ポンプ２４の回転方向を、そのまま、管路２０等を流れる冷却液の流れの方向を意味すると考える。よって、第１の動作によれば、冷却液がその流通方向を正方向と逆方向とに交互に反転しながら流れることになる。
【００３５】
このような動作によれば、燃料電池１０の内部で冷却液が往復を繰り返し、冷却液の流動に伴って燃料電池１０内部（より具体的には、個々の単位セル１２の面内）の温度勾配が平滑化される。従って、燃料電池１０内部に生ずる温度ムラを緩和し、燃料電池１０全体をより均一な温度に近づけることができる。
【００３６】
また、実施の形態１では、領域５０の面積を、ちょうど、「燃料電池１０内の冷却液流路の総容積」と、「管路２０のうち燃料電池１０から温度センサ３０、３２までの部分の容積」とを加えた合計の容積ＶＦＣに一致するように定める。容積ＶＦＣは、図１を用いて模式的に表せば、図１の破線で囲った部位の冷却液流路の容積である。
【００３７】
このようにすることで、先ず、少なくとも「燃料電池１０内の冷却液流路の総容積」以上の体積の冷却液を、正方向と逆方向にそれぞれ流すことができる。これは即ち、燃料電池１０内の冷却液を一旦全て管路２０に排出したあと、再び同じ分だけの冷却液を燃料電池１０へと戻すという動作を、繰り返すことに他ならない。このようにすることで、温度が異なる個々の単位セル１２内で温められた冷却液を、一旦管路２０へと集めて、平均な温度になるように混ぜ合わせることができる。また、「管路２０のうち燃料電池１０から温度センサ３０、３２までの部分の容積」を加算しておくことにより、温度センサ３０、３２が、燃料電池１０内の温度環境を精度良く計測することができる。
【００３８】
例えば次のような状況下において、第１の動作は、下記の効果を発揮することができる。
【００３９】
燃料電池１０が低温であるときに、ある程度、燃料電池１０が温まるまでは、システムからの熱の積極的な放出を控えたい場合がある。低温時には、より具体的には、冷間始動時、特に、氷点下始動時が挙げられる。このような場合には、燃料電池１０内部の凍結を防止し、早期にシステムを起動すべく、急速に暖機することが望ましい。
【００４０】
冷却液を循環させるほど、ラジエータ２２による放熱がなされ、システムは冷却される。上述のような低温時には、システムから外部へと熱が積極的に放出されることを、控えたい。そこで、冷却液の流量を抑えつつ冷却液を循環させたり、ポンプ２４を停止して冷却液の流通そのものを無くしたりして、ラジエータ２２を介した放熱を少なく抑えることが考えられる。しかしながら、冷却液の流量を低減すると、これに伴って、冷却液の流動によって実現されていた燃料電池１０内部の温度ムラ緩和効果も低下してしまう。
【００４１】
第１の動作によれば、そのような難点を解決することができる。既述したように、実施の形態１では、冷却系内の冷却液の流れを、正方向と逆方向とで反転させている。正方向の回転時間と逆方向の回転時間を同じ値にし、それらの時間を適宜定めることにより、燃料電池１０付近において冷却液を往復させることができる。
【００４２】
このような動作によれば、燃料電池１０から熱を受け取って温まった状態の冷却液が、ラジエータ２２側へと到達せずに（冷却系内を一巡せずに）、燃料電池１０付近を往復して流れ続ける。従って、燃料電池１０の発した熱が燃料電池１０付近の冷却液に集中して蓄積されていき、ラジエータ２２から熱が系外に放出されることを控えることができる。その結果、燃料電池１０の温度を速やかに上昇させることができる。冷却液の流量（具体的には、図２のポンプ回転数の波形の振幅）を適宜に定めれば、冷却液の流動も十分に確保することができる。よって、燃料電池１０内部の温度ムラ緩和効果を十分に確保することができる。
【００４３】
以上述べたように、第１の動作によれば、燃料電池１０からの放熱の抑制と、燃料電池１０の温度ムラ緩和効果の確保とを、両立することができる。なお、上述した動作によれば、ラジエータ２２の近傍で低温の冷却液が往復して流動することになる。よって、実施の形態１の燃料電池システムでは、第１の動作時に、ラジエータ２２の前後で、実質的に温度差が生じないことになる。
【００４４】
また、第１の動作によれば、燃料電池１０を暖機する際の熱容量（暖機時に必要な熱量の総和）を少なくできる。仮に、冷却液を循環させながら暖機を行うとすると、冷却系内の全ての冷却液の温度が上昇することが求められる。これに対し、第１の動作によれば、前述した容積ＶＦＣの２倍程度の量の冷却液の温度が上昇すれば、少なくとも燃料電池１０周辺に良好な温度環境が確保される。これらを比較すれば、第１の動作のほうが、少ない熱容量で燃料電池１０を暖機できることがわかる。また、熱容量が少ないということは、燃料電池１０の温度を短時間で上昇させることができることにほかならない。
【００４５】
（ii）第２の動作
以下、図３を用いて、実施の形態１の第２の動作を説明する。図３に示すように、第２の動作は、第１の動作で述べた冷却液の往復動作を行いつつ、その往復の中心（ポンプ回転数の時間変化の曲線を振動とみなせば、振動の中心）を正方向側へシフトさせていく。これに伴い、往復の中心からみた正方向側および逆方向側の最大値（言い換えれば、振動の幅）を小さくしていく。最終的に、図３に示すように、ポンプ回転数は、固定値Ａ０に収束する。つまり、第１の動作によるポンプ回転数の変動を交流成分とみなせば、第２の動作は、この交流成分に対して正方向側の直流成分を乗せ、最終的にある固定値に収束させる動作と言い表すことができる。
【００４６】
正方向に流す冷却液の総量を、逆方向に流す冷却液の総量よりも多くすれば、冷却液の往復的な流れは維持されるものの、冷却液が全体として正方向側に移動していく。第２の動作によれば、このように、冷却系内において冷却液の往復を繰り返しながら、冷却系内で冷却液を正方向側にずらしていくことができる。
【００４７】
また、実施の形態１では、図３に示す領域６０の面積が第１の動作でも述べた容積ＶＦＣと一致するように、ポンプ２４を制御する。つまり、ポンプ回転数の変動の幅が小さくなるのに応じて、正方向側あるいは逆方向側の一周期の長さを増大していく。
【００４８】
また、実施の形態１では、図３に示すように、正方向側の直流成分を固定値Ａ０へと向かって徐々に増加している。ここで、図３において、正方向側の直流成分の加算値が描く領域７０の面積は、第２の動作を開始してから定常運転（回転数が固定値Ａ０に設定された状態）が始まるまでの時間に、直流成分によって冷却系内を移動する冷却液の総量を意味する。実施の形態１では、領域７０の面積の大きさを、燃料電池システムの冷却系の総容積に一致させる。これにより、冷却系内で冷却液を一巡させ、その後速やかに、ポンプ２４の動作を定常運転に切り換えることができる。
【００４９】
例えば次のような状況下において、第２の動作は、下記の効果を発揮することができる。
【００５０】
低温環境下において前述した第１の動作を行うと、燃料電池１０の近傍にある冷却液の温度は上昇するものの、それ以外の位置（特に冷却系内で燃料電池１０から最も離れた位置）の冷却液は未だ低温の状態に維持される。このような場合、仮に、第１の動作によって燃料電池１０周辺の暖機が完了したあと直ちに冷却液を循環させると、燃料電池１０に低温の冷却液が突然流れ込んでしまう。
【００５１】
この点、第２の動作によれば、冷却系内で往復動作を繰り返しながら冷却液をずらしていくことができるので、その過程で、冷却液を順番に温めていくことができる。その結果、燃料電池に対して流入する冷媒の温度が急激に変化するのを避けることができる。
【００５２】
なお、実施の形態１の燃料電池システムは、次のような利点も備えている。燃料電池システムの冷却系に、冷却系内においてラジエータを迂回して冷却液が流通するように、バイパス流路（管路など）を設ける場合が考えられる。このようなバイパス流路を選択的に使用することにより、ラジエータを経由して冷却液を流す場合と、ラジエータを経由せずに冷却液を流す場合とを切り換えることができる。しかしながら、バイパス流路は、システムの構成を複雑化する。また、バイパス流路の容積が大きければ多くの冷却液を温めなければならない点では変わらないので、熱容量は依然として大きい。
【００５３】
この点、実施の形態１の燃料電池システムは、バイパス流路を必須構成とはしておらず、簡素な構成を採用することが可能である。また、暖機時に燃料電池１０付近を往復して流れる冷却液の体積を十分に少なくすることが可能なので（実施の形態１では容積ＶＦＣの２倍だが、これよりも少なくしてもよい）、熱容量の低減効果を十分に得ることができる。
【００５４】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図４を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図４は、実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、実施の形態１では、このルーチンが燃料電池システムの始動時、燃料電池１０の発電中に実行されるものとする。
【００５５】
図４に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の第１の温度環境の判定が行われる（ステップＳ１００）。このステップでは、冷却系内の冷却液の温度が十分に高いか否かの判別が行われる。具体的には、温度センサ３０、３２がそれぞれ示す温度ｔ１とｔ２の平均値（ｔ１＋ｔ２）／２が、所定温度Ｔ１を下回っているか否かが判定される。この所定温度Ｔ１は、例えば、冷却液を循環させて流すことが許容できる冷却液の下限温度を仕様や実験などから予め特定しておき、これに基づいて決定すればよい。例えば、所定温度Ｔ１は、数十℃程度に定めることができる。
【００５６】
ステップＳ１００の条件が否定された場合には、冷却液の温度は許容できる程度に高いと判定される。その結果、そのまま定回転運転が行われる（ステップＳ１１０）。低回転運転とは、実施の形態１では、ポンプ２４を正方向に一定の回転数Ａ０で回転させる運転である。
【００５７】
ステップＳ１００の条件が成立した場合には、燃料電池１０の第２の温度環境の判定が行われる（ステップＳ１０２）。このステップでは、燃料電池１０の温度環境が、氷点下にあるか否かの判別が行われる。具体的には、温度ｔ１とｔ２の平均値（ｔ１＋ｔ２）／２が、所定温度Ｔ２を下回っているか否かが判定される。所定温度Ｔ２は、零℃とする。
【００５８】
ステップＳ１０２の条件が成立した場合には、燃料電池システムが低温環境下にあると判断され、燃料電池１０の暖機が行われる（ステップＳ１０４）。このステップでは、前述した第１の動作が実行され、燃料電池１０が速やかに暖機される。これにより、凍結のおそれなど種々の弊害を確実に避け、燃料電池システムを安定的に起動できる。
【００５９】
ステップＳ１０４の実行が開始された後は、再びステップＳ１０２へと戻り、平均値（ｔ１＋ｔ２）／２と所定温度Ｔ２とが再度比較される。これにより燃料電池１０の温度環境が継続的に監視され、（ｔ１＋ｔ２）／２の値が零℃以上となるまで燃料電池１０の暖機運転が維持される。その後、ステップＳ１０２の条件が否定されると、ステップＳ１０２とＳ１０４のループから抜け、冷却液暖機運転へと移行する（ステップＳ１０６）。なお、ループ突入後の２回目以降のステップＳ１０２の判定値には、所定温度Ｔ２にΔＴ２（例えば１．５℃程度）を加算したＴ２＋ΔＴ２の値を用いても良い。
【００６０】
ステップＳ１０６の冷却液暖機運転では、前述した第２の動作が実行される。つまり、図３で示した曲線に従ってポンプ２４の回転数が制御される。これにより、冷却系内で往復動作を繰り返しながら冷却液をずらしていくことができるので、その過程で、冷却液を順番に温めていくことができる。その結果、燃料電池１０に対して流入する冷媒の温度が急激に変化するのを避けつつ、冷却系内の冷却液の温度を全体的に上昇させることができる。
【００６１】
ステップＳ１０６の実行が開始された後、冷却液温度の十分な上昇と、冷却系内の冷却液の一巡とのうち、少なくとも一方が成立したか否かが判定される（ステップＳ１０８）。このステップでは、先ず、冷却液温度の平均値（ｔ１＋ｔ２）／２が所定温度Ｔ１以上か否かが判定される。これにより、冷却液の温度がある程度まで上昇しているか否かを判断できる。
【００６２】
また、第２の動作で説明したように領域７０の面積相当の体積の冷却液が流れて、冷却系内を冷却系が一巡したか否かも判定される。この判定は、例えば、ステップＳ１０６を開始してからの時間や、現在のポンプ２４の回転数が収束値である固定値Ａ０に一致したか否か、あるいは流量計などを用いて正方向に流れた冷却液の総量を実測するなど、種々の観点から実現することができる。なお、温度の条件と冷却液一巡の条件のうちいずれか一方のみの条件判定を行っても良い。
【００６３】
ステップＳ１０８において、温度の条件と冷却液一巡の条件の両方が否定されている間は、ステップＳ１０６の冷却液暖機運転が維持される。ステップＳ１０８において、温度の条件と冷却液一巡の条件とのうち、少なくとも一方の条件が成立したら、定回転運転へと移行する（ステップＳ１１０）。
【００６４】
以上の処理によれば、燃料電池システムの始動時に、温度環境に合わせて、燃料電池１０の暖機および冷却液の暖機を、燃料電池１０の急激な温度変化を避けつつ迅速に行うことができる。
【００６５】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、ポンプ２４が前記第１の発明における「冷媒流通機構」に、コントローラ２６が前記第１の発明における「切換手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１では、図４のルーチンのステップＳ１０４を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。
【００６６】
また、上述した実施の形態１では、図４のルーチンのステップＳ１０６において実現される第２の動作が、前記第３の発明における「運転モード」に相当している。
【００６７】
また、上述した実施の形態１では、温度センサ３０、３２が、前記第４の発明における「検知手段」に相当し、図４のルーチンのステップＳ１００およびＳ１０２により、前記第４の発明における「始動手段」が実現されている。
【００６８】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
図５は、実施の形態１の第１変形例を示す図である。この第１変形例では、実施の形態１に比して、ポンプ２４の回転方向を正方向／逆方向に維持する期間をそれぞれ短くし、かつ、回転数の最大値を大きくして、第１の動作を実行する。つまり、実施の形態１の第１の動作を示す図２と、図５との比較において、Ａ＜Ａ２かつＷ＞Ｗ２の関係が成立する。また、第１変形例では、図５で斜線を付した領域８０の面積は、図２の領域５０の面積と同じとする。
【００６９】
燃料電池１０の発電時の電流の値が大きいほど、燃料電池１０の発熱量は多い。そこで、燃料電池１０の暖機の際、より多くの電流を燃料電池１０に発電させることが考えられる。一方、図５のようにポンプの動作を実現するには、実施の形態１の場合に比して、ポンプ２４がより多くの電力を必要とする。そこで第１変形例では、燃料電池１０が発電した電流を、ポンプ２４にて消費させる。これにより、燃料電池１０をさらに迅速に暖機することが可能となる。
【００７０】
なお、実施の形態１の第１の動作（図２）と、この第１変形例の第１の動作（図５）の両方を、ポンプ２４の第１の動作にかかる動作モードとして設定しておき、必要に応じてそれらを選択的に切り換えてもよい。
【００７１】
（第２変形例）
実施の形態１では、第１の動作や第２の動作において、正方向あるいは逆方向に流す冷却液の量を、容積ＶＦＣに設定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。正方向あるいは逆方向に流す冷却液の量を、容積ＶＦＣより多く設定したり容積ＶＦＣより少なく設定するなど、必要に応じて正方向あるいは逆方向に流す冷却液の量を変更すればよい。また、本発明の対象となる冷却系は、実施の形態１のように、管路２０の容積が燃料電池１０内の冷却液流路の容積に比して十分に大きいものに限らない。種々の冷却系を対象に、本発明を適用することができる。
【００７２】
（第３変形例）
実施の形態１では、ポンプ２４の回転方向を反転させることにより、冷却液の流通方向を切り換えた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、特開２００７−８７７７９号公報に開示されているように、ポンプ自体の回転方向は変えずに、バルブ等を用いて、管路を選択的に切り換えることによって燃料電池１０に対する冷却液の流れの方向を切り換える機構がある。このような切換機構を用いても良い。
【００７３】
（第４変形例）
実施の形態１の第２の動作は、ポンプ回転数の変動を交流成分とみなせば、この交流成分に対して正方向側の直流成分を乗せる動作と言い表すことができる。実施の形態１では、図３に示すように、この直流成分を徐々に大きくしていった。しかしながら、本発明はこれに限られない。ある一定の直流成分を乗せても良い。正方向に流す冷却液の量を、逆方向に流す冷却液の量よりも大きくしておけば、冷却液の全体的な位置を正方向に徐々に移動させることができるからである。
【００７４】
なお、実施の形態１の第１の動作では、正方向と逆方向の切り換えを、周期的に多数回繰り返すこととしている。しかしながら、本発明は、これに限られるものではない。冷却液の流れの反転を、複数回行う（繰り返す）こととすればよい。正方向→逆方向→正方向とポンプ２４の回転方向を切り換えることにより、冷却液の流れの反転を合計で２回（正方向から逆方向への冷却液の流れの反転と、逆方向から正方向への冷却液の流れの反転）行うことができる。ここから更に、逆方向、正方向と続けていくことにより、任意の回数だけ流れの反転の回数を増加することができる。また、正方向→逆方向→正方向と切り換えた後、最後に逆方向にした状態で定常回転を行っても構わない。なお、実施の形態１では、便宜上、正方向を図１の紙面右周りと定めたが、図１の紙面左周りを正方向にしてもよい。冷却系に対していずれの方向を正方向とするかは任意に定めればよい。
【００７５】
なお、実施の形態１では、第１の動作と第２の動作の両方を実行することを前提とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない、第１の動作のみを利用したり、第２の動作のみを利用したりすることができる。なお、実施の形態１では循環型の冷却系を用いているが、流れの反転を繰り返すことができればよく、循環型でない系で本発明を実現してもよい。
【００７６】
なお、上述した実施の形態１では、主に、燃料電池システムの低温時や冷間始動時における第１、２の動作の利点を説明した。しかしながら、温度環境や運転状態にかかわらず、つまり低温時以外や始動時以外の状況下で、必要に応じて第１、２の動作を用いてもよい。これにより、燃料電池内部の温度ムラを緩和または解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するための図である。
【図３】実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態１で実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】実施の形態１の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  燃料電池
１２  単位セル
２０  管路
２２  ラジエータ
２４  ポンプ
２６  コントローラ
３０  温度センサ
３２  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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