JP4243322B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムに関する。
典型的な燃料電池として、高分子電解質形燃料電池がある。高分子電解質形燃料電池は、一般に、高分子電解質膜及びこれを挟んだアノード及びカソードからなるセルが積層されて構成されている。
このようにセルが積層された高分子電解質形燃料電池は、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、熱媒体供給マニホールド、及び熱媒体排出マニホールドを備えている。この高分子電解質形燃料電池では、燃料ガス供給マニホールドから各セルのアノードに供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給マニホールドから各セルのカソードに供給された酸化剤ガスとの反応により、発熱を伴った発電が行われる。この熱を回収するため、高分子電解質形燃料電池には、その適所に設けられた熱媒体流路に熱媒体供給マニホールドを介して熱媒体が供給され、このように供給された熱媒体が熱媒体排出マニホールドを介して排出される。
熱媒体としては、水、シリコンオイルが一般的に用いられている。熱媒体は、燃料電池システムの起動時に、熱媒体供給マニホールドから各セルに分配される。また、熱媒体は、起動時には燃料電池に熱を供給して温度を上昇させる役割も果たす。
ところで、燃料電池システムを家庭用コ−ジェネレーションシステムとして用いる場合、燃料ガスの原料として、メタンなどを主成分とする都市ガスが用いられている。この場合、光熱費メリットを大きくするため、燃料電池システムでは、電気消費量の少ない時間帯（深夜）は停止し、電気消費量の多い時間帯（昼間）に発電する運転方法（ＤＳＳ（Daily Start-up & Shut-down）運転）が有効である。このＤＳＳ運転においては、発電と停止とを繰り返すため、燃料電池システムは、発電と停止とを含む運転パターンに柔軟に対応できることが望ましい。
しかし、このように発電と停止とを繰り返す運転方法では、燃料電池システムの起動時及び発電時にスタックの両方の端部のセルが温度低下するという問題があった。
すなわち、これまでの燃料電池システムでは、燃料電池はスタックの両方の端部の端板から放熱するために、端板近傍のセルの温度はその他のセルの温度よりも低くなる。そのため、起動時及び発電時において、スタックの端板近傍のセルはその他のセルに比べて発電性能が低くなる。
そこで、セルの積層方向両端に位置するアノードセパレータ及びカソードセパレータの冷媒流路を廃止した燃料電池スタックが開示されている（特許文献１参照）。このような燃料電池スタックでは、セルの積層方向両端に位置するセルの温度低下が防止される。
また、温度低下時出力よりも温度上昇時出力のほうが低くなる燃料電池システムにおいて、燃料電池を暖機運転する際に、バイパス経路を介して全てのセルの一部の部位のみに熱媒体を循環させ、その後、主経路を介してすべてのセルの残りの部位に熱媒体を循環させる燃料電池スタックが開示されている（特許文献２参照）。このような燃料電池システムでは、低温始動時において、所定の出力が短時間で得られる。
特開２００２−２１６８０６ 特開２００４−２２８０３８
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載されたものは、熱媒体供給マニホールドを１つしか備えておらず、スタックに対する温度の制御は、起動時又は発電時のいずれかの場合にのみ行われていた。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、起動時及び発電時の双方において、スタックの温度を制御する燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討した結果、以下のことを見いだした。
燃料電池の起動時においては、燃料電池の温度を上昇させるために熱媒体を循環させる。この場合、スタックの両方の端部では、端板から放熱するためなかなか温度が上昇せず、スタックの端部を熱媒体により加熱する必要性が大きい。一方、スタックの両方の端部以外の部分（残部）では、この残部からの放熱が小さいため、スタックの両方の端部ほど熱媒体で加熱する必要性はない。
一方、燃料電池の発電時においては、燃料電池は燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により反応熱を発生するので、冷却のために熱媒体を循環させる。スタックの両方の端部では、燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応による発熱と端板からの放熱とがあいまって、ほぼ適温となるため、スタックの端部はそれほど冷却しなくてもよい。一方、スタックの残部では、この残部からの放熱よりも発電反応による発熱のほうが大きいため、熱媒体により冷却する必要性が大きい。
そこで、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、反応ガスの反応により発熱を伴う発電をする１以上の反応部と、熱媒体の通流により該反応部との間で熱を授受する１以上の伝熱部とが、セルが積層されることによって、前記セルの積層方向において互いに隣接するように形成されたスタックと、前記積層方向におけるスタックの両方の端部の伝熱部に熱媒体を供給する第１熱媒体供給マニホールドと、前記スタックの前記両方の端部以外の部分である残部の伝熱部に熱媒体を供給する第２熱媒体供給マニホールドと、 前記各伝熱部から熱媒体を排出するための熱媒体排出マニホールドと、を備える。
このような構成とすると、２つの熱媒体供給マニホールドを通じて、熱媒体を、スタックの両方の端部の伝熱部と、スタックの残部の伝熱部とに分けて供給することができる。すなわち、燃料電池の起動時には、第１熱媒体供給マニホールドを介して加熱された熱媒体をスタックの端部の伝熱部に供給して速やかにスタック端部の伝熱部の温度を上昇させる。一方、燃料電池の発電時には、熱媒体をスタックの残部の伝熱部に熱媒体を供給することによりスタックの残部の温度を下げると共に、スタックの両方の端部の伝熱部への熱媒体の供給量を制御することによりスタックの端部の温度低下を抑制する。したがって、燃料電池の起動時及び発電時の双方において、スタックの温度を制御することができる。
前記第１熱媒体供給マニホールド、前記第２熱媒体供給マニホールド、及び前記熱媒体排出マニホールドが、前記スタックの内部に前記セルの積層方向に延びるように形成されていてもよい。
前記第１熱媒体供給マニホールドが前記スタックの全長に渡って形成されていてもよい。
前記第１熱媒体供給マニホールドが両方の前記端部にのみ形成されていてもよい。
本発明の燃料電池は、外部から前記第１熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開度を大／小にして非制限／制限する第１流量非制限／制限装置と、外部から前記第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開度を大／小にして非制限／制限する第２流量非制限／制限装置と、を備えていてもよい。
このような構成とすると、第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置の開度を大／小にして第１熱媒体供給マニホールド及び第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流を非制限／制限することにより、いずれのマニホールドに熱媒体を通流させるかを選択したり、第１熱媒体供給マニホールドにおける熱媒体の流量及び第２熱媒体供給マニホールドにおける熱媒体の流量を変更したりすることができる。
本発明の燃料電池では、前記熱媒体排出マニホールドが少なくとも第１サブ熱媒体排出マニホールドと第２サブ熱媒体排出マニホールドとから構成され、前記第１サブ熱媒体排出マニホールドは前記両方の端部の伝熱部から熱媒体を排出し、前記第２サブ熱媒体排出マニホールドは前記残部の伝熱部から熱媒体を排出してもよい。
このような構成とすると、スタックの両方の端部の伝熱部への熱媒体流通経路と、スタックの残部の伝熱部への熱媒体流通経路とを互いに独立して形成することができる。その結果、双方の熱媒体の流通経路に互いに温度の異なる熱媒体を通流させることができる。
本発明の第１の燃料電池システムは、第１熱媒体供給マニホールドと第２熱媒体供給マニホールドとを備えた燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、 前記第１熱媒体供給マニホールド及び前記第２熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、制御装置と、を備える。
また、本発明の第２の燃料電池システムは、第１熱媒体供給マニホールド、第２熱媒体供給マニホールド、第１流量非制限／制限装置、及び第２流量非制限／制限装置を備えた燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記第１熱媒体供給マニホールド及び前記第２熱媒体供給マニホールドにそれぞれ前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置を介して熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、前記熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知装置と、前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置の開度を制御するための制御装置と、を備える。
本発明の第２の燃料電池システムは、前記熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記熱媒体供給装置に還流する外部熱媒体流通経路と、前記外部熱媒体流通経路の途中と前記熱媒体供給装置とを接続するバイパス経路と、前記外部熱媒体流通経路の前記バイパス経路によってバイパスされた部分（以下、被バイパス部分）に設けられ該被バイパス部分を流れる熱媒体と熱交換する熱交換器と、前記外部熱媒体流通経路の被バイパス部分に設けられ前記制御装置の制御により該被バイパス部分を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整装置と、を備えていてもよい。
本発明の第２の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記流量制御装置を通じて、前記外部熱媒体流通経路の被バイパス部分を経由した熱媒体と前記バイパス経路を経由した熱媒体との前記熱媒体供給装置における混合割合を変化させることにより、前記熱媒体供給装置が供給する熱媒体の温度を制御するよう構成されていてもよい。
本発明の第２の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度に基づき、前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置の開度を制御してもよい。
このような構成とすると、熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度に応じて、第１熱媒体供給マニホールド及び／又は第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流を許容及び阻止したり、第１熱媒体供給マニホールド及び／又は第２熱媒体供給マニホールドへの流量を変更したりすることができる。
本発明の第２の燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１非制限／制限装置の開度を大にして前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部に熱媒体を制限することなく通流させると共に、前記第２非制限／制限装置の開度を大にして前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部に熱媒体を制限することなく通流させ、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記第１非制限／制限装置の開度を維持すると共に前記第２流量非制限／制限置の開度を小にして前記反応ガス供給装置に反応ガスを前記燃料電池へ供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、その後、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記第１流量非制限／制限装置の開度を小にすると共に前記第２流量非制限／制限装置の開度を大にして、前記端部の伝熱部への熱媒体の通流を制限すると共に前記残部の伝熱部へ熱媒体を制限することなく通流させて、前記燃料電池システムを発電モードに移行させてもよい。
このような構成とすると、第１熱媒体供給マニホールド及び第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流を切り替えながら、スタックの温度を制御することができる。その後、スタック全体の温度が安定すれば、燃料電池による安定した発電が行える。
前記第１流量非制限／制限装置が、前記第１熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開／閉により許容及び阻止する第１開閉装置であり、前記第２流量非制限／制限装置が、前記第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開／閉により許容及び阻止する第２開閉装置であり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を大にして前記熱媒体を制限することなく通流させることが、前記第１及び第２開閉装置を開いて前記熱媒体を通流させることであり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を小にして前記熱媒体の通流を制限することが、前記第１及び第２開閉装置を閉じて前記熱媒体の通流を停止することであってもよい。
このような構成とすると、第１開閉装置及び第２開閉装置を開／閉して、第１熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流及び第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流を許容及び阻止することにより、第１熱媒体供給マニホールド及び第２熱媒体供給マニホールドに熱媒体を通流／停止することができる。したがって、第１熱媒体供給マニホールド及び第２熱媒体供給マニホールドのうちのいずれのマニホールドに熱媒体を通流させるかを選択することができる。
前記第１流量非制限／制限装置が、前記第１熱媒体供給マニホールドへ流れる熱媒体の流量を調整する第１流量調整装置であり、前記第２流量非制限／制限装置が、前記第２熱媒体供給マニホールドへ流れる熱媒体の流量を調整する第２流量調整装置であり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を大にして前記熱媒体を制限することなく通流させることが、前記第１及び第２流量調整装置の開度を大きくして前記熱媒体の流量を増加させることであり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を小にして前記熱媒体の通流を制限することが、前記第１及び第２流量調整装置の開度を小さくして前記熱媒体の流量を減少させることであってもよい。
このような構成とすると、第１流量調整装置及び第２流量調整装置の開度を大／小にして、第１熱媒体供給マニホールドにおける熱媒体の流量及び第２熱媒体供給マニホールドにおける熱媒体の流量を増加／減少させることができる。したがって、第１熱媒体供給マニホールド及び第２熱媒体供給マニホールドにおける熱媒体の流量を調整することができる。
また、本発明の第３の燃料電池システムは、第１熱媒体供給マニホールド、第２熱媒体供給マニホールド、第１サブ熱媒体排出マニホールド、及び第２サブ熱媒体排出マニホールドを備えた燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記第１熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する第１熱媒体供給装置と、前記第２熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する第２熱媒体供給装置と、前記第１サブ熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する第１温度検知装置と、前記第２サブ熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する第２温度検知装置と、前記第１熱媒体供給装置及び前記第２熱媒体供給装置を制御するための制御装置と、を備える。
本発明の第３の燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれか一方が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１熱媒体供給装置に前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部へ熱媒体を供給させると共に、前記第２熱媒体供給装置に前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部へ熱媒体を供給させ、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記反応ガス供給装置に前記燃料電池へ反応ガスを供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、その後、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記燃料電池システムを発電モードに移行させてもよい。
本発明の第３の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度に基づき、前記第１熱媒体供給装置及び前記第２熱媒体供給装置からの熱媒体の供給量を制御してもよい。
このような構成とすると、第１サブ熱媒体排出マニホールド及び第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出される熱媒体の温度に応じて、第１熱媒体供給マニホールド及び／又は第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の供給量を増減させることができる。
本発明の第３の燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれか一方が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１熱媒体供給装置に前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部へ熱媒体を供給させると共に、前記第２熱媒体供給装置に前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部へ熱媒体を供給させ、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記第１熱媒体供給装置による前記端部の伝熱部へ熱媒体の供給を継続すると共に、第２熱媒体供給装置による前記残部の伝熱部への熱媒体の供給量を制限し、前記反応ガス供給装置に反応ガスを前記燃料電池へ供給させると共に、前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、その後、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記第１熱媒体供給装置による前記第１熱媒体供給マニホールドを介した前記端部の伝熱部への熱媒体の供給量を制限すると共に、前記第２熱媒体供給装置による前記第２熱媒体供給マニホールドを介した前記残部の伝熱部への熱媒体の供給量の制限を解除して、前記燃料電池システムを発電モードに移行させてもよい。
このような構成とすると、第１温度検知装置及び第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度に応じて、第１熱媒体供給装置及び第２熱媒体供給装置からの熱媒体の供給量を増減させながら、スタックの温度を制御することができる。その後、スタック全体の温度が安定すれば、燃料電池による安定した発電が行える。
本発明の第３の燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記熱媒体の供給を停止することによって前記熱媒体の供給量を制限してもよい。
本発明の第３の燃料電池システムでは、前記第１熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度が、前記第２熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度よりも高いことが好ましい。
このような構成とすると、スタックの両方の端部の温度を速やかに上昇させることができる。
本発明の第３の前記燃料電池システムは、さらに、前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記第１熱媒体供給装置に還流させる第１外部熱媒体流通経路と、前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記第２熱媒体供給装置に還流させる第２外部熱媒体流通経路と、第３外部熱媒体流通経路と、前記第１外部熱媒体流通経路の途中に前記第３外部熱媒体流通経路を介して前記第２熱媒体供給装置に接続されて設けられ、前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の流通先を前記第１熱媒体供給装置と前記第２熱媒体供給装置との間で切り替える第１流通経路選択装置と、第４外部熱媒体流通経路と、前記第２外部熱媒体流通経路の途中に前記第４外部熱媒体流通経路を介して前記第１熱媒体供給装置に接続されて設けられ、前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の流通先を前記第２熱媒体供給装置と前記第１熱媒体供給装置との間で切り替える第２流通経路選択装置と、を備え、前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記反応ガス供給装置に前記燃料電池へ反応ガスを供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせた後に、前記第１流通経路選択装置を制御して前記第１熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を第３外部熱媒体流通経路を経由して第２熱媒体供給装置に通流させて前記第２熱媒体供給装置による前記第２熱媒体供給マニホールドを介した前記残部の伝熱部への熱媒体の供給を継続すると共に、前記第２流通経路選択装置を制御して前記第２熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を第４外部熱媒体流通経路を経由して第１熱媒体供給装置に通流させて前記第１熱媒体供給装置による前記第１熱媒体供給マニホールドを介した前記端部の伝熱部への熱媒体の供給を継続してもよい。
このような構成とすると、スタックの残部の伝熱部を通流して熱を回収し昇温された熱媒体を第１熱媒体供給装置に供給し、この熱媒体をスタックの端部に通流させるため、第１熱媒体供給装置における熱媒体の昇温のためのエネルギーを節約することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池及び燃料電池システムは、起動時及び発電時の双方において、スタックの温度を制御することができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、全図面を通じて同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態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は、図１の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。図３は、図２の燃料電池の斜視図である。図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。図５は、図２の燃料電池に用いる端部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図６は、図２の燃料電池に用いる端部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図７は、図２の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図８は図２の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図９は、図１の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。以下、図１乃至図９を参照しながら、本実施形態の燃料電池及び燃料電池システムについて説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０１を備えている。燃料電池１０１の、アノードへ燃料ガスを供給するための燃料ガス入口４０３には、燃料ガス供給路１０９を介して燃料ガス供給装置（反応ガス供給装置）１０２が接続されている。燃料ガス供給装置１０２は、燃料電池１０１のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガスには、例えば、水素ガス、炭化水素系のガスを改質した改質ガス等が用いられる。燃料ガス供給装置１０２は、本実施形態では、原料ガスから燃料ガスとして改質ガスを生成する水素生成装置で構成されている。原料ガスとしては、ここでは天然ガスが用いられる。
燃料電池１０１の、カソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口４０４には、酸化剤ガス供給路１０７を介して酸化剤ガス供給装置（反応ガス供給装置）１０３が接続されている。酸化剤ガス供給装置１０３は、燃料電池１０１のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１０３は、本実施形態では、空気ブロアで構成されている。酸化剤ガスとしては、ここでは空気が用いられる。燃料電池１０１のアノード及びカソードに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスはそこで化学反応し、この化学反応により電力及び熱が発生する。
燃料電池１０１の、アノードから燃料ガスを排出するための燃料ガス出口４０５には、燃料ガス排出路１１０が接続されており、上述の化学反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスはアノードから燃料ガス排出路１１０に排出されて、適宜、処理される。例えば、燃料ガス排出路１１０に排出された余剰の燃料ガスは、燃料ガス供給装置１０２を構成する水素生成装置の改質部加熱用の燃料として用いられたり、専用のバーナで燃焼処理されたり、あるいは適宜希釈して大気中に放出されたりする。
また、燃料電池１０１の、カソードから酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口４０６には、酸化剤ガス排出路１１１が接続されており、上述の化学反応に寄与しなかった余剰の酸化剤ガスはカソードから酸化剤ガス排出路１１１を通じて大気中に放出される。
一方、燃料電池システム１００には、燃料電池１０１を通過するように、熱媒体流通経路１１３が形成されている。熱媒体流通経路１１３は、燃料電池１０１の内部に形成された内部熱媒体流通経路と、この内部熱媒体流通経路に熱媒体を通流させるための外部熱媒体流通経路１１２とで構成されている。なお、内部熱媒体流通経路は、後述する、第１及び第２熱媒体供給マニホールド８Ａ，８Ｂ、熱媒体流路１９，２９、及び熱媒体排出マニホールド９によって構成される。外部熱媒体流通経路１１２は、燃料電池１０１の第１熱媒体入口４０１Ａ及び第２熱媒体入口４０１Ｂと熱媒体出口４０２とに接続されている。外部熱媒体流通経路１１２は、燃料電池１０１の第１熱媒体入口４０１Ａと第２熱媒体入口４０１Ｂとに、Ｔ型管継手１２５により分岐するように接続されている。第１熱媒体入口４０１Ａの近傍の外部熱媒体流通経路１１２には、第１開閉弁（第１開閉装置、第１流量非制限／制限装置）１３０Ａが配設されている。第２熱媒体入口４０１Ｂの近傍の外部熱媒体流通経路１１２には、第２開閉弁（第２開閉装置、第２流量非制限／制限装置）１３０Ｂが配設されている。第１開閉弁１３０Ａ及び第２開閉弁１３０Ｂは、それぞれ、第１熱媒体入口４０１Ａ、第２熱媒体入口４０１Ｂへの熱媒体の通流を、その開／閉により許容及び阻止する。熱媒体流通経路１１３には、熱媒体として水が循環される。なお、熱媒体としては、例えば、不凍液を用いてもよい。外部熱媒体流通経路１１２には、熱媒体供給装置１２０と、温度検知装置１４０とが配設されている。熱媒体供給装置１２０は、図示しない温度調整装置を備えており、循環されて戻った熱媒体の温度を所定の温度に調整することができる。図示しない温度調整装置は、例えば、熱媒体を加熱する機能を担う部分であるヒータや、熱媒体を冷却する機能を担う部分である放熱器等を備えている。温度検知装置１４０は、熱媒体出口４０２の近傍の外部熱媒体流通経路１１２に配設されている。温度検知装置１４０は、公知の温度センサで構成される。温度検知装置１４０は、燃料電池１０１を通流し、熱媒体出口４０２から排出された熱媒体の温度を検知する。
燃料電池１０１には、燃料電池１０１により発生された直流電力を交流電力に変換するインバータ（電力回路部）１５０が接続されている。インバータ１５０は、図示しない外部負荷に接続されており、外部負荷への電力の供給を制御する（燃料電池１０１の発電電力を制御する）。
本発明の燃料電池システム１００は、制御装置１６０を備えている。制御装置１６０は、燃料ガス供給装置１０２、酸化剤ガス供給装置１０３、熱媒体供給装置１２０、第１開閉弁１３０Ａ、第２開閉弁１３０Ｂ、及び温度検知装置１４０、及びインバータ１５０等の動作を制御する。制御装置１６０は、記憶部１６１と、演算部１６２とを備えている。記憶部１６１は、例えば、燃料電池システム１００の動作を制御する制御プログラムを格納する。演算部１６２は、記憶部１６１に格納された制御プログラムを読み込み、その内容を実行する。制御装置１６０は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム１００の上記の構成要素を制御して、燃料電池システム１００の動作を制御する。ここで、本明細書においては、制御装置１６０とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも意味する。よって、制御装置１６０は、必ずしも単独の制御装置で構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するよう構成されていてもよい。
次に、本発明の燃料電池システム１００を構成する燃料電池１０１について、図２を参照しながら詳しく説明する。
図２に示すように、燃料電池１０１はセルスタック（スタック）１を有している。セルスタック１は、板状の全体構造を有するセル２がその厚み方向に積層されてなるセル積層体１０５と、セル積層体１０５の両端に配置された第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂと、セル積層体１０５と第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂとをセル２の積層方向において締結する締結具（図示せず）とを有している。また、第１及び第２の端板３Ａ，３Ｂには集電端子がそれぞれ配設されているが、図示を省略している。この一対の集電端子には、インバータ１５０（図１参照）が接続されている。板状のセル２は、鉛直面に平行に延在しており、したがって、セル２の積層方向は水平方向となっている。
セルスタック１は、セル２の積層方向における両方の端部からなる端部Ｅとそれ以外の部分からなる残部Ｒとに区分される。端部Ｅと残部Ｒとはセル２を構成するセパレータの構造が若干異なるだけであるので、以下では、両者に共通する構造については両者を区別せずに説明する。
図２及び図３に示すように、セル積層体１０５の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体１０５を積層方向に貫通するように酸化剤ガス供給マニホールド４が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の一端は、第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（酸化剤ガス入口４０４）に図１の酸化剤ガス供給路１０７を構成する酸化剤ガス供給配管５１が接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の他端は、第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。
また、セル積層体１０５の他方の側部（以下、第２の側部という）の下部には、該セル積層体１０５を積層方向に貫通するように酸化剤ガス排出マニホールド７が形成されている。酸化剤ガス排出マニホールド７の一端は、第１の端板３Ａによって閉鎖されている。酸化剤ガス供給マニホールド７の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（酸化剤ガス出口４０６）に図１の酸化剤ガス排出路１１１を構成する酸化剤ガス排出配管５２が接続されている。
セル積層体１０５の第２の側部の上部には、該セル積層体１０５を積層方向に貫通するように燃料ガス供給マニホールド５が形成されている。燃料ガス供給マニホールド５の一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（燃料ガス入口４０３）に図１の燃料ガス供給路１０９を構成する燃料ガス供給配管５３が接続されている。燃料ガス供給マニホールド５の他端は、第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。
また、セル積層体１０５の第１の側部の下部には、該セル積層体１０５を積層方向に貫通するように燃料ガス排出マニホールド６が形成されている。燃料ガス排出マニホールド６の一端は、第１の端板３Ａによって閉鎖されている。燃料ガス排出マニホールド６の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（燃料ガス出口４０５）に図１の燃料ガス排出路１１０を構成する燃料ガス排出配管５４が接続されている。
酸化剤ガス供給マニホールド４の上方かつ内側には、セル積層体１０５を積層方向に貫通するように第１熱媒体供給マニホールド８Ａが形成されている。第１熱媒体供給マニホールド８Ａの一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（第１熱媒体入口４０１Ａ）に図１の外部熱媒体流通経路１１２の一部を構成する第１熱媒体供給配管３０Ａの一端が接続されている。第１熱媒体供給配管３０Ａにおける、第１熱媒体入口４０１Ａの近傍には、第１開閉弁１３０Ａが配設されている。第１熱媒体供給配管３０Ａの他端は、Ｔ型管継手１２５の第１出口ポート１２５ａに接続されている。Ｔ型管継手１２５の入口ポート１２５ｃには、図１の外部熱媒体流通経路１１２の一部を構成する熱媒体供給配管３０が接続されている。熱媒体供給配管３０及び第１熱媒体供給配管３０Ａは、図１の外部熱媒体流通経路１１２における、熱媒体供給装置１２０の吐出ポート(図示せず)と燃料電池１０１の第１熱媒体入口４０１Ａとの間の部分を構成している。第１熱媒体供給マニホールド８Ａの他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。
酸化剤ガス供給マニホールド４の上方かつ内側であって第１熱媒体供給マニホールド８Ａの下方には、セル積層体１０５を積層方向に貫通するように第２熱媒体供給マニホールド８Ｂが形成されている。第１熱媒体供給マニホールド８Ａと、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂとは、通流する熱媒体同士の熱交換を防止するため、適宜の間隔をあけて形成されている。第２熱媒体供給マニホールド８Ｂの一端は第１の端板３Ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（第２熱媒体入口４０１Ｂ）に図１の外部熱媒体流通経路１１２の一部を構成する第２熱媒体供給配管３０Ｂの一端が接続されている。第２熱媒体供給配管３０Ｂにおける、第２熱媒体入口４０１Ｂの近傍には、第２開閉弁１３０Ｂが配設されている。第２熱媒体供給配管３０Ｂの他端は、Ｔ型管継手１２５の第２出口ポート１２５ｂに接続されている。第２熱媒体供給マニホールド８Ｂの他端は第２の端板３Ｂによって閉鎖されている。第２熱媒体供給配管３０Ｂは、図１の外部熱媒体流通経路１１２における、Ｔ型管継手１２５と第２熱媒体入口４０１Ｂとの間の部分を構成している。
また、酸化剤ガス排出マニホールド７の下方かつ内側には、セル積層体１０５を積層方向に貫通するように熱媒体排出マニホールド９が形成されている。熱媒体排出マニホールド９の一端は第１の端板３Ａによって閉鎖されている。熱媒体排出マニホールド９の他端は第２の端板３Ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔の外側開口（熱媒体出口４０２）に図１の外部熱媒体流通経路１１２の一部を構成する熱媒体排出配管５５が接続されている。熱媒体排出配管５５は、図１の外部熱媒体流通経路１１２の、熱媒体供給装置１２０の吸入ポート（図示せず）と燃料電池１０１との間の部分を構成している。
次に、燃料電池１０１のセルスタック１を構成するセル２について説明する。
図４に示すように、セル２は、板状のＭＥＡ部材４３と、ＭＥＡ部材４３の両主面に接触するように配置されたカソード側セパレータ１０及びアノード側セパレータ２０とで構成されている。そして、互いに隣接するセル２，２において、一方のセル２のカソード側セパレータ１０の背面と他方のセル２のアノード側セパレータ２０の背面とが接触するようにして、セル２が積層されている。ＭＥＡ部材４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０は、互いに同じ大きさの同じ形状（ここでは矩形）に形成されている。そして、ＭＥＡ部材４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０には、互いに対応する所定の箇所に、これらを厚み方向に貫通する、酸化剤ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、燃料ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、第１熱媒体供給マニホールド孔、第２熱媒体供給マニホールド孔、熱媒体排出マニホールド孔が形成されている。全てのセル２におけるＭＥＡ部材４３、カソード側セパレータ１０、及びアノード側セパレータ２０の、酸化剤ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔、燃料ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、第１熱媒体供給マニホールド孔、第２熱媒体供給マニホールド孔、熱媒体排出マニホールド孔が、それぞれ繋がって、酸化剤ガス供給マニホールド４、酸化剤ガス排出マニホールド７、燃料ガス供給マニホールド５、燃料ガス排出マニホールド６、第１熱媒体供給マニホールド８Ａ、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂ、及び熱媒体排出マニホールド９が、それぞれ形成されている。
カソード側セパレータ１０の正面及び背面には、それぞれ、酸化剤ガス流路１７及び熱媒体流路１９が形成されている。酸化剤ガス流路１７は、後述するように、酸化剤ガス供給マニホールド孔と酸化剤ガス排出マニホールド孔とを連通するように形成されている。熱媒体流路１９は、後述するように、第１熱媒体供給マニホールド孔又は第２熱媒体供給マニホールド孔と熱媒体排出マニホールドとを連通するように形成されている。そして、カソード側セパレータ１０は、正面がＭＥＡ部材４３に接触するように配置されている。
アノード側セパレータ２０の正面及び背面には、それぞれ、燃料ガス流路２８及び熱媒体流路２９が形成されている。燃料ガス流路２８は、後述するように、燃料ガス供給マニホールド孔と燃料ガス排出マニホールド孔とを連通するように形成されている。熱媒体流路２９は、後述するように、第１熱媒体供給マニホールド孔又は第２熱媒体供給マニホールド孔と熱媒体排出マニホールドとを連通するように形成されている。そして、アノード側セパレータ２０は、正面がＭＥＡ部材４３に接触するように配置されている。
各流路１７，１９，２８，２９は、カソード側セパレータ１０又はアノード側セパレータ２０の主面に形成された溝で構成されている。また、各流路１７，１９，２８，２９は、図４では、それぞれ２つの流路で構成されているが、多数の流路で構成されていてもよい。また、隣接するカソード側セパレータ１０の熱媒体流路１９とアノード側セパレータ２０の熱媒体流路２９とは、セル２が積層されたとき互いに合わさる（接合する）ように形成されており、両者で１つの熱媒体流路が形成されている。
また、各セパレータの背面には、第１又は第２熱媒体供給マニホールド孔と第２又は第１熱媒体供給マニホールド孔及び熱媒体排出マニホールド孔並びに熱媒体流路と、酸化剤ガス供給マニホールド孔と、酸化剤ガス排出マニホールド孔と、燃料ガス供給マニホールド孔と、燃料ガス排出マニホールド孔とを、それぞれ囲むように、Ｏリング収容溝４７が形成され、その溝にＯリング４８がそれぞれ配置されている。これにより、前記のマニホールド孔等が互いにシールされている。
ＭＥＡ部材４３は、高分子電解質膜４１と、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、一対のガスケット４６とを有している。そして、高分子電解質膜４１の縁部以外の部分の両面にそれぞれカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂが形成され、高分子電解質膜４１の縁部の両面にカソード４２Ａ及びアノード４２Ｂをそれぞれ囲むようにガスケット４６が配置されている。一対のガスケット４６、カソード４２Ａ、アノード４２Ｂ、及び高分子電解質膜４１は、互いに一体化されている。
高分子電解質膜４１は、水素イオンを選択的に輸送可能な材料で構成され、ここでは、パーフルオロカーボンスルホン酸系の材料で構成されている。カソード４２Ａ及びアノード４２Ｂは、高分子電解質膜４１の互いに反対の主面にそれぞれ形成された触媒層（図示せず）と、この触媒層の上に形成されたガス拡散層（図示せず）とで構成されている。触媒層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末で主に構成されている。ガス拡散層は、通気性と電子伝導性とを有する不織布、紙等で構成されている。
また、カソード４２Ａと、アノード４２Ｂと、カソード側セパレータ１０における酸化剤ガス流路１７が形成された領域及び熱媒体流路１９が形成された領域と、アノード側セパレータ２０における燃料ガス流路２８が形成された領域及び熱媒体流路２９が形成された領域とは、セルの積層方向から見て、互いに、実質的に全体的に重なり合うように配設されている。
次に、セパレータについて説明する。セパレータには、端部用と残部用との２種類がある。以下、端部用カソード側セパレータ１０Ａ、端部用アノード側セパレータ２０Ａ、残部用カソード側セパレータ１０Ｂ、及び残部用アノード側セパレータ２０Ｂについて、詳しく説明する。
図５に示すように、端部用カソード側セパレータ１０Ａは、酸化剤ガス供給マニホールド孔１１及び酸化剤ガス排出マニホールド孔１３、燃料ガス供給マニホールド孔１２及び燃料ガス排出マニホールド孔１４、並びに第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａ、第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂ、及び熱媒体排出マニホールド孔１６を有する。端部用カソード側セパレータ１０Ａは、さらに、カソードと対向する面（正面）に、酸化剤ガス供給マニホールド孔１１と酸化剤ガス排出マニホールド孔１３とを連通する酸化剤ガス流路１７を有し、背面には、第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａと熱媒体排出マニホールド孔１６とを連通する熱媒体流路１９を有する。図５（ａ）において、酸化剤ガス流路１７は、本実施形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、サーペンタイン状に形成されている。図５（ｂ）において、熱媒体流路１９は、本実施形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、サーペンタイン状に形成されている。
図５（ａ），（ｂ）において、酸化剤ガス供給マニホールド孔１１は、端部用カソード側セパレータ１０Ａの一方の側部（図５（ａ）における図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられている。酸化剤ガス排出マニホールド孔１３は、端部用カソード側セパレータ１０Ａの他方の側部（図５（ａ）における図面右側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔１２は、端部用カソード側セパレータ１０Ａの第２の側部の上部に設けられている。燃料ガス排出マニホールド孔１４は、端部用カソード側セパレータ１０Ａの第１の側部の下部に設けられている。第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａは、酸化剤ガス供給マニホールド孔１１の上方かつ内側に設けられている。第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド孔１１の上方かつ内側であって第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａの下方に設けられている。熱媒体排出マニホールド孔１６は、酸化剤ガス排出マニホールド孔１３の下方かつ内側に設けられている。
図６に示すように、端部用アノード側セパレータ２０Ａは、酸化剤ガス供給マニホールド孔２１及び酸化剤ガス排出マニホールド孔２３、燃料ガス供給マニホールド孔２２及び燃料ガス排出マニホールド孔２４、並びに第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａ、第２熱媒体供給マニホールド孔２５Ｂ、及び熱媒体排出マニホールド孔２６を有する。端部用アノード側セパレータ２０Ａは、さらに、アノードと対向する面に、燃料ガス供給マニホールド孔２２と燃料ガス排出マニホールド孔２４とを連通する燃料ガス流路２８を有し、背面には、第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａと熱媒体排出マニホールド孔２６とを連通する熱媒体流路２９を有する。図６（ａ）において、燃料ガス流路２８は、本実施形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、サーペンタイン状に形成されている。図６（ｂ）において、熱媒体流路２９は、本実施形態では２つの流路で構成されている。もちろん、任意の数の流路で構成することができる。各流路は、サーペンタイン状に形成されている。
図６（ａ），（ｂ）において、酸化剤ガス供給マニホールド孔２１は、端部用アノード側セパレータ２０Ａの一方の側部（図６（ａ）における図面右側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられている。酸化剤ガス排出マニホールド孔２３は、端部用アノード側セパレータ２０Ａの他方の側部（図６（ａ）における図面左側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔２２は、端部用アノード側セパレータ２０Ａの第２の側部の上部に設けられている。燃料ガス排出マニホールド孔２４は、端部用アノード側セパレータ２０Ａの第１の側部の下部に設けられている。第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａは、酸化剤ガス供給マニホールド孔２１の上方かつ内側に設けられている。第２熱媒体供給マニホールド孔２５Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド孔２１の上方かつ内側であって第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａの下方に設けられている。熱媒体排出マニホールド孔２６は、酸化剤ガス排出マニホールド孔２３の下方かつ内側に設けられている。
図７に示すように、残部用カソード側セパレータ１０Ｂは、その背面に形成された熱媒体流路１９の上流端が第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａではなく、第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂに接続されている点を除き、端部用カソード側セパレータ１０Ａと同じである。
図８に示すように、残部用アノード側セパレータ２０Ｂは、その背面に形成された熱媒体流路２９の上流端が第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａではなく、第２熱媒体供給マニホールド孔２５Ｂに接続されている点を除き、端部用アノード側セパレータ２０Ａと同じである。
そして、前述のように、各セパレータの酸化剤ガス供給マニホールド孔１１，２１が、酸化剤ガス供給マニホールド４の一部を構成する。各セパレータの酸化剤ガス排出マニホールド孔１３，２３が、酸化剤ガス排出マニホールド７の一部を構成する。各セパレータの燃料ガス供給マニホールド孔１２，２２が、燃料ガス供給マニホールド５の一部を構成する。各セパレータの燃料ガス排出マニホールド孔１４，２４が、燃料ガス排出マニホールド６の一部を構成する。各セパレータの第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａ，２５Ａが、第１熱媒体供給マニホールド８Ａの一部を構成する。各セパレータの第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂ，２５Ｂが、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂの一部を構成する。各セパレータの熱媒体排出マニホールド孔１６，２６が、熱媒体排出マニホールド９の一部を構成する。
次に、セルスタック１の両方の端部Ｅ及び残部Ｒの構成について説明する（図２及び図４参照）。
端部Ｅでは、端部用カソード側セパレータ１０Ａと端部用アノード側セパレータ２０ＡとでＭＥＡ部材４３を挟むことにより、反応部Ｐと伝熱部Ｈとが形成される。残部Ｒでは、以下のように反応部Ｐと伝熱部Ｈとが形成される。すなわち、残部Ｒの、一方の端部Ｅに隣接する部分においては、端部用カソード側セパレータ１０Ａと残部用アノード側セパレータ２０ＢとでＭＥＡ部材４３を挟むことで反応部Ｐが形成され、残部Ｒの、他方の端部Ｅに隣接する部分においては、端部用アノード側セパレータ２０Ａと残部用カソード側セパレータ１０ＢとでＭＥＡ部材４３を挟むことで反応部Ｐが形成される。そして、残部Ｒのこれ以外の部分においては、残部用カソード側セパレータ１０Ｂと残部用アノード側セパレータ２０ＢとでＭＥＡ部材４３を挟むことにより、反応部Ｐと伝熱部Ｈとが形成される。端部用カソード側セパレータ１０Ａに形成されたカソードガス流路１７から端部用アノード側セパレータ２０Ａに形成されたアノードガス流路２８までの部分が、セルスタック１の両方の端部Ｅの反応部Ｐを構成する。端部用カソード側セパレータ１０Ａに形成された熱媒体流路１９といずれかの端板とが接合した部分、端部用アノード側セパレータ２０Ａに形成された熱媒体流路２９といずれかの端板とが接合した部分、及び端部用カソード側セパレータ１０Ａに形成された熱媒体流路１９と端部用アノード側セパレータ２０Ａに形成された熱媒体流路２９とが接合した部分が、セルスタック１の両方の端部Ｅの伝熱部ＨEを構成する。本実施形態においては、セルスタック１の両方の端部Ｅにおける伝熱部ＨEの数は、それぞれ２個ずつである。ここで、セルスタック１の両方の端部Ｅにおける伝熱部ＨEの数は、それぞれ、セル２が２０個以上積層されてセルスタック１が構成されている場合において、１〜５個の範囲であることが好ましい。また、セルスタック１の両方の端部Ｅのそれぞれにおける伝熱部ＨEの数は、セルスタック１におけるセル２の積層数の１％以上２５％以下であることが好ましい。本発明者等の実験結果によれば、セルスタック１における両端から少なくとも２つのセル２（伝熱部）は、端部Ｅとして扱うことが好ましい。
また、残部用カソード側セパレータ１０Ｂに形成されたカソードガス流路１７から残部用アノード側セパレータ２０Ｂに形成されたアノードガス流路２８までの部分が、セルスタック１の残部Ｒの反応部Ｐを構成する。残部用カソード側セパレータ１０Ｂに形成された熱媒体流路１９と残部用アノード側セパレータ２０Ｂに形成された熱媒体流路２９とが接合した部分が、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを構成する。
複数セルごとに伝熱部を設ける場合には、前記のような複合セパレータの代わりに、一方の面がカソード側セパレータ、他方の面がアノード側セパレータとして働く単一のセパレータが適宜用いられる。
以上のように構成された燃料電池１０１では、燃料ガス、酸化剤ガス、及び熱媒体が以下のように通流する。
図１乃至図４において、燃料ガスは、燃料ガス供給路１０９（燃料ガス供給配管５３）を通じて、燃料ガス入口４０３からセルスタック１の燃料ガス供給マニホールド５に供給される。この供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド５から、各セル２の燃料ガス供給マニホールド孔２２に流入し、燃料ガス流路２８を通流する。そして、この間に、アノード４２Ｂ、高分子電解質膜４１、及びカソード４２Ａを介して酸化剤ガスと反応して消費され、消費されなかった燃料ガスが燃料ガス排出マニホールド孔２４から燃料ガス排出マニホールド６に流出し、燃料ガス出口４０５から燃料ガス排出路１１０（燃料ガス排出配管５４）を通じてセルスタック１から排出される。
一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１０７（酸化剤ガス供給配管５１）を通じて、酸化剤ガス入口４０４からセルスタック１の酸化剤ガス供給マニホールド４に供給される。この供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド４から、各セル２の酸化剤ガス供給マニホールド孔１１に流入し、酸化剤ガス流路１７を通流する。そして、この間に、カソード４２Ａ、高分子電解質膜４１、及びアノード４２Ｂを介して燃料ガスと反応して消費され、消費されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス排出マニホールド孔１３から酸化剤ガス排出マニホールド７に流出し、酸化剤ガス出口４０６から酸化剤ガス排出路１１１（酸化剤ガス排出配管５２）を通じてセルスタック１から排出される。
また、熱媒体は、外部熱媒体流通経路１１２（熱媒体供給配管３０，３０Ａ）を通じて第１熱媒体入口４０１Ａからセルスタック１の第１熱媒体供給マニホールド８Ａに供給されると共に、外部熱媒体流通経路１１２（熱媒体供給配管３０，３０Ｂ）を通じて第２熱媒体入口４０１Ｂからセルスタック１の第２熱媒体供給マニホールド８Ｂに供給される。
第１熱媒体供給マニホールド８Ａに供給された熱媒体は、第１熱媒体供給マニホールド８Ａから、端部Ｅの各セル２の第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａ，２５Ａに流入し、端部Ｅの伝熱部ＨE（熱媒体流路１９，２９）を通流する。そして、この間に、端部用カソード側セパレータ１０Ａ及び端部用アノード側セパレータ２０Ａを介して端部Ｅのカソード及びアノードと熱交換を行い、熱媒体排出マニホールド孔１６，２６から熱媒体排出マニホールド９に流出し、熱媒体出口４０２から外部熱媒体流通経路１１２（熱媒体排出配管５５）を通じてセルスタック１から排出される。
一方、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂに供給された熱媒体は、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂから、残部Ｒの各セル２の第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂ，２５Ｂに流入し、残部Ｒの伝熱部ＨR（熱媒体流路１９，２９）を通流する。そして、この間に、残部用カソード側セパレータ１０Ｂ及び残部用アノード側セパレータ２０Ｂを介して残部Ｒのカソード及びアノードと熱交換を行い、熱媒体排出マニホールド孔１６，２６から熱媒体排出マニホールド９に流出し、熱媒体出口４０２から外部熱媒体流通経路１１２（熱媒体排出配管５５）を通じてセルスタック１から排出される。
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０１による発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを有していて、以下ではこれらを説明する。なお、燃料電池システム１００の以下の動作は、制御装置１６０により実現される。具体的には、制御装置１６０の記憶部１６１に格納された制御プログラムを、制御装置１６０の演算部１６２が遂行することにより実現される。
図９に示すように、制御装置１６０は、燃料電池システム１００を起動する（ステップＳ１）。次に、制御装置１６０は、第１開閉弁１３０Ａ及び第２開閉弁１３０Ｂを開く（ステップＳ２）。これにより、第１熱媒体供給マニホールド８Ａを通じてセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体が通流すると共に、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂを通じてセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体が通流する。本実施形態では、通流させる熱媒体の温度が６０℃に設定されている。これにより、セルスタック１の全体が速やかにあたためられる。
次に、制御装置１６０は、温度検知装置１４０を介して熱媒体排出マニホールド９から排出される熱媒体の温度を取得する（ステップＳ３）。そして、制御装置１６０は、取得した熱媒体の温度が、発電開始可能温度Ｔ1以上かどうかを判定する（ステップＳ４）。取得した熱媒体の温度が発電開始可能温度Ｔ1未満である場合には、熱媒体の通流を継続し、発電開始可能温度Ｔ1以上になるまで、上記のステップＳ２〜ステップＳ４を繰り返す。本実施形態では、発電開始可能温度Ｔ1が５５℃に設定されている。ここで、発電開始可能温度Ｔ1は、燃料電池１０１内においてフラッディングが発生しない温度であり、例えば、５０℃〜５５℃の範囲となるよう設定されることが好ましい。
ステップＳ４において、取得した熱媒体の温度が、発電開始可能温度Ｔ1以上になると、制御装置１６０は、燃料ガス供給装置１０２を制御して燃料ガスを燃料電池１０１のアノードに供給すると共に、酸化剤ガス供給装置１０３を制御して酸化剤ガスを燃料電池１０１のカソードに供給する（ステップＳ５）。その後、制御装置１６０は、第２開閉弁１３０Ｂを閉じる。（ステップＳ６）これにより、残部Ｒの伝熱部ＨRへの熱媒体の通流が停止される。
その後、制御装置１６０は、インバータ１５０を介して、燃料電池１０１から電力を取り出す（ステップＳ７）。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって、反応部Ｐから反応熱が発生する。この反応熱によりセルスタック１の温度が上昇する。このとき、残部Ｒの伝熱部ＨRと端部Ｅの伝熱部ＨEとの双方に熱媒体が通流されたままであると、放熱が無い分、残部Ｒの温度上昇が大きくなり、残部Ｒと端部Ｅとで温度が不均一に上昇する。しかし、本実施形態では、この時点では残部Ｒの伝熱部ＨRへの熱媒体の通流が停止されているので、残部Ｒと端部Ｅとで温度が均一に上昇する。
その後、制御装置１６０は、温度検知装置１４０を介して熱媒体排出マニホールド９から排出される熱媒体の温度を取得する（ステップＳ８）。制御装置１６０は、取得した熱媒体の温度が、継続発電可能温度Ｔ2以上かどうかを判定する（ステップＳ９）。取得した熱媒体の温度が継続発電可能温度Ｔ2未満である場合には、制御装置１６０は、燃料電池１０１からの電力の取り出しを継続し（ステップＳ７）、取得した熱媒体の温度が継続発電可能温度Ｔ2以上になるまで、上記のステップＳ７〜ステップＳ９を繰り返す。継続発電可能温度Ｔ2は、本実施形態では、６５℃に設定されている。すなわち、継続発電可能温度Ｔ2は、前述の発電開始可能温度Ｔ1よりも高い温度である。ここで、継続発電可能温度Ｔ2は、６５℃〜７０℃の範囲となるよう設定されることが好ましい。
ステップＳ９において、取得した熱媒体の温度が継続発電可能温度Ｔ2以上になると、制御装置１６０は、第１開閉弁１３０Ａを閉じ、第２開閉弁１３０Ｂを開いて（ステップＳ１０）、端部Ｅの伝熱部ＨEへの熱媒体の通流を停止し、残部Ｒの伝熱部ＨRへの熱媒体の通流を開始する。これにより、燃料電池システム１００では起動モードが終了して（ステップＳ１０）、発電モードに移行し、燃料電池１０１で発電が行われる（ステップＳ１１）。この状態においては、セルスタック１の温度が熱媒体供給装置１２０から供給される熱媒体の温度（６０℃）より高くなっているので、セルスタック１の残部Ｒへの熱媒体の通流によって残部Ｒは熱媒体により冷却される。一方、セルスタック１の端部Ｅへの熱媒体の通流停止によって、端部Ｅは熱媒体により冷却されずに放熱のみよって冷却される。その結果、残部Ｒは熱媒体により必要な程度に冷却され、端部Ｅは放熱によってほぼ適温となる。これにより、燃料電池１０１で安定して発電が行われる。
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記のような構成としたため、起動モードでは端板３Ａ，３Ｂからの放熱の大きいセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに優先的に熱媒体を流して、端部Ｅの温度を上昇させることができる。一方、発電モードでは、放熱が少なく発熱が多いセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに優先的に熱媒体を流して、これを必要な程度に冷却することができる。このように、起動時及び発電時の双方において、セルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEと残部Ｒの伝熱部ＨRとに選択的に熱媒体を流すことができる。これにより、燃料電池システム１００の速やかな起動と安定した発電とが実現される。
なお、本実施形態の燃料電池システム１００においては、Ｔ型管継手１２５と第１熱媒体入口４０１Ａとの間の第１熱媒体供給配管３０Ａに第１温度調整装置（図示せず）が配設されると共に、Ｔ型管継手１２５と第２熱媒体入口４０１Ｂとの間の第２熱媒体供給配管３０Ｂに第２温度調整装置（図示せず）が配設されていてもよい。これにより、熱媒体供給装置１２０により供給される熱媒体が第１熱媒体供給配管３０Ａを流れる場合には第１温度調整装置により熱媒体の温度が再調整され、熱媒体供給装置１２０により供給される熱媒体が第２熱媒体供給配管３０Ｂを流れる場合には第２温度調整装置により熱媒体の温度が再調整される。したがって、上述の起動モード（ステップＳ２）において、第１熱媒体供給マニホールド８Ａを通じてセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体を通流させると共に、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂを通じてセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体を通流させる場合において、端部Ｅの伝熱部ＨEと残部Ｒの伝熱部ＨRとに異なった温度の熱媒体を供給することができる。特に、端板３Ａ，３Ｂからの放熱の大きいセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに、より高い温度の熱媒体を通流させることにより、セルスタック１の端部Ｅの温度を速やかに上昇させることができる。
さらに、セルスタック１の端部Ｅと残部Ｒとのうちのどちらか一方に通流させる熱媒体の温度を再調整する場合には、Ｔ型管継手１２５と第１熱媒体入口４０１Ａとの間の第１熱媒体供給配管３０Ａと、Ｔ型管継手１２５と第２熱媒体入口４０１Ｂとの間の第２熱媒体供給配管３０Ｂと、のうちのどちらか一方に温度調整装置（図示せず）が配設されていればよい。
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態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１１は、図１０の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。図１２は、図１１の燃料電池に用いる端部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図１３は、図１１の燃料電池に用いる端部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図１４は、図１１の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図１５は、図１１の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図１６は、図１０の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。以下、図１０乃至図１６を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムについて説明する。
本実施形態の燃料電池システム２００は、セルスタック１の両方の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体を供給する熱媒体流通経路（第１熱媒体流通経路）と、セルスタック１の端部以外の部分である残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体を供給する熱媒体流通経路（第２熱媒体流通経路）とが独立して形成されている（図１０参照）。さらに、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態で用いた燃料電池１０１とは異なる構成の燃料電池２０１を用いている。それ以外については、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成要素と同じである。したがって、図１０乃至１５において図１、図２、図５乃至図８と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃料電池２０１を通過するように、第１熱媒体流通経路１１３Ａと第２熱媒体流通経路１１３Ｂとが形成されている。
第１熱媒体流通経路１１３Ａは、燃料電池２０１の内部に形成された第１内部熱媒体流通経路（図示せず）と、この第１内部熱媒体流通経路に熱媒体を通流させるための第１外部熱媒体流通経路１１２Ａ（３０Ａ，５５Ａ）とで構成されている。第１内部熱媒体流通経路は、後述する、第１熱媒体供給マニホールド８Ａ、第１熱媒体流路１９Ａ，２９Ａ、及び第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａとで構成されている。第１外部熱媒体流通経路１１２Ａは、第１熱媒体入口４０１Ａと第１熱媒体出口４０２Ａとに接続されている。第１外部熱媒体流通経路１１２Ａには、第１熱媒体供給装置１２０Ａと、第１温度検知装置１４０Ａとが配設されている。第１熱媒体供給装置１２０Ａは、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａを介して、第１熱媒体入口４０１Ａから燃料電池２０１に熱媒体を供給する。燃料電池２０１に供給された熱媒体は、燃料電池２０１を通流した後に第１熱媒体出口４０２Ａから排出され、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａ（第１熱媒体排出配管５５Ａ）を介して第１熱媒体供給装置１２０Ａに戻る。第１熱媒体供給装置１２０Ａは、図示しない温度調整装置を備えており、燃料電池２０１を通流して戻った熱媒体の温度を所定の温度に調整する。図示しない温度調整装置は、例えば、熱媒体を加熱する機能を担う部分であるヒータや、熱媒体を冷却する機能を担う部分である放熱器等を備えている。また、第１熱媒体供給装置１２０Ａは図示しないポンプを備えていて、熱媒体の流れを開始／停止したり、熱媒体の流量を調整したりする。第１温度検知装置１４０Ａは、第１熱媒体出口４０２Ａの近傍の第１外部熱媒体流通経路１１２Ａに配設されており、燃料電池２０１を通流し第１熱媒体出口４０２Ａから排出された熱媒体の温度を検知する。
一方、第２熱媒体流通経路１１３Ｂは、燃料電池２０１の内部に形成された第２熱媒体流通経路（図示せず）と、この第２内部熱媒体流通経路に熱媒体を通流させるための第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂ（３０Ｂ，５５Ｂ）とで構成されている。第２内部熱媒体流通経路は、後述する、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂ、第２熱媒体流路１９Ｂ，２９Ｂ、及び第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂとで構成されている。第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂは、第２熱媒体入口４０１Ｂと第２熱媒体出口４０２Ｂとに接続されている。第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂには、第２熱媒体供給装置１２０Ｂと、第２温度検知装置１４０Ｂとが配設されている。第２熱媒体供給装置１２０Ｂは、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂを介して、第２熱媒体入口４０１Ｂから燃料電池２０１に熱媒体を供給する。第２熱媒体入口４０１Ｂを介して燃料電池２０１に供給された熱媒体は、燃料電池２０１を通流した後に第２熱媒体出口４０２Ｂから排出され、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂ（第２熱媒体排出配管５５Ｂ）を介して第２熱媒体供給装置１２０Ｂに戻る。第２熱媒体供給装置１２０Ｂは、図示しない温度調整装置を備えており、燃料電池２０１を通流して戻った熱媒体の温度を所定の温度に調整する。図示しない温度調整装置は、例えば、熱媒体を加熱する機能を担う部分であるヒータや、熱媒体を冷却する機能を担う部分である放熱器等を備えている。また、第２熱媒体供給装置１２０Ｂは図示しないポンプを備えていて、熱媒体が流れるのを開始／停止したり、熱媒体の流量を調整したりする。第２温度検知装置１４０Ｂは、第２熱媒体出口４０２Ｂの近傍の第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂに配設されており、燃料電池２０１を通流し第２熱媒体出口４０２Ｂから排出された熱媒体の温度を検知する。
次に、本実施形態の燃料電池システム２００に用いる燃料電池２０１について説明する。
図１１に示すように、セルスタック１は、セル２の積層方向における両方の端部からなる端部Ｅとそれ以外の部分からなる残部Ｒとに区分される。端部Ｅと残部Ｒとはセル２を構成するセパレータの構造が若干異なるだけであるので、以下では、両者に共通する構造については両者を区別せずに説明する。また、第１実施形態において用いた燃料電池１０１と共通する構成については、説明を省略する。
燃料電池２０１は、セルスタック１のセル２の積層方向に延びる第１熱媒体供給マニホールド８Ａ、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂ、第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａ、及び第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂを備えている。なお、図１１では、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドの図示を省略している。また、後述する、第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａ及び第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂ以外の点については、第１実施形態の燃料電池システム１００において用いた燃料電池１０１と同様に構成されている。
第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａは、セルスタック１の両方の端部Ｅに形成された伝熱部ＨEに接続されている。第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａは、セルスタック１の両方の端部Ｅに形成された伝熱部ＨEを通流した熱媒体を通流させる。第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａを通流した熱媒体は、燃料電池２０１の第１熱媒体出口４０２Ａから排出され、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａを介して第１熱媒体供給装置１２０Ａに戻る。
一方、第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂは、第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａの下方に形成されている。第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂは、セルスタック１の残部Ｒに形成された伝熱部ＨRに接続されている。第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂは、セルスタック１の残部Ｒに形成された伝熱部ＨRを通流した熱媒体を通流させる。第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂを通流した熱媒体は、燃料電池２０１の第２熱媒体出口４０２Ｂから排出され、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂを介して第２熱媒体供給装置１２０Ｂに戻る。
次に、セルスタック１を構成するセパレータについて説明する。セパレータには、端部用カソード側セパレータ１０Ｃ、端部用アノード側セパレータ２０Ｃ、残部用カソード側セパレータ１０Ｄ、及び残部用アノード側セパレータ２０Ｄがある。以下、各セパレータについて説明する。
図１２に示すように、端部用カソード側セパレータ１０Ｃにおいては、熱媒体排出マニホールド孔が、第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａと第２サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ｂとで構成されている。第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａは、酸化剤ガス排出マニホールド孔１３の下方かつ内側に形成されている。第２サブ熱媒体排出マニホールド１６Ｂは、酸化剤ガス排出マニホールド孔１３の下方かつ内側であって第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａの上方に形成されている。図１２（ｂ）に示すように、端部用カソード側セパレータ１０Ｃの一方の主面には、第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａと、第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａとを連通するように第１熱媒体流路１９Ａが形成されている。それ以外については、図５に示した端部用カソード側セパレータ１０Ａと同じである。
図１３に示すように、端部用アノード側セパレータ２０Ｃにおいては、熱媒体排出マニホールド孔が、第１サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ａと第２サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ｂとで構成されている。第１サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ａは、酸化剤ガス排出マニホールド孔２３の下方かつ内側に形成されている。第２サブ熱媒体排出マニホールド２６Ｂは、酸化剤ガス排出マニホールド孔２３の下方かつ内側であって第１サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ａの上方に形成されている。図１３（ｂ）に示すように、端部用アノード側セパレータ２０Ｃの一方の主面には、第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａと、第１サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ａとを連通するように第１熱媒体流路２９Ａが形成されている。それ以外については、図６に示した端部用アノード側セパレータ２０Ａと同じである。
図１４（特に、図１４（ｂ）参照）に示すように、残部用カソード側セパレータ１０Ｄは、その背面に形成された第２熱媒体流路１９Ｂの上流端が第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａではなく、第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂに接続されている。また、第２熱媒体流路１９Ｂの下流端が第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａではなく、第２サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ｂに接続されている。それ以外については、図１２に示した端部用カソード側セパレータ１０Ｃと同じである。
図１５（特に、図１５（ｂ）参照）に示すように、残部用アノード側セパレータ２０Ｄは、その背面に形成された第２熱媒体流路２９Ｂの上流端が第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａではなく、第２熱媒体供給マニホールド孔２５Ｂに接続されている。また、第２熱媒体流路２９Ｂの下流端が第１サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ａではなく、第２サブ熱媒体排出マニホールド孔２６Ｂに接続されている。それ以外については、図１３に示した端部用アノード側セパレータ２０Ｃと同じである。
そして、各セパレータの第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａ，２６Ａが、第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａの一部を構成する。各セパレータの第２サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ｂ，２６Ｂが、第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂの一部を構成する。
次に、セルスタック１の両方の端部Ｅ及び残部Ｒの構成について説明する（図１１参照）。
端部Ｅでは、端部用カソード側セパレータ１０Ｃと端部用アノード側セパレータ２０ＣとでＭＥＡ部材４３を挟むことにより、反応部と伝熱部とが形成される。残部Ｒでは、以下のように反応部と伝熱部とが形成される。すなわち、残部Ｒの、一方の端部Ｅに隣接する部分においては、端部用カソード側セパレータ１０Ｃと残部用アノード側セパレータ２０ＤとでＭＥＡ部材４３を挟むことで反応部が形成され、残部Ｒの、他方の端部Ｅに隣接する部分においては、端部用アノード側セパレータ２０Ｃと残部用カソード側セパレータ１０ＤとでＭＥＡ部材４３を挟むことで反応部が形成される。そして、残部Ｒのこれ以外の部分においては、残部用カソード側セパレータ１０Ｄと残部用アノード側セパレータ２０ＤとでＭＥＡ部材４３を挟むことにより、反応部と伝熱部とが形成される。端部用カソード側セパレータ１０Ｃに形成されたカソードガス流路１７から端部用アノード側セパレータ２０Ｃに形成されたアノードガス流路２８までの部分が、セルスタック１の両方の端部Ｅの反応部を構成する。端部用カソード側セパレータ１０Ｃに形成された第１熱媒体流路１９Ａといずれかの端板とが接合した部分、端部用アノード側セパレータ２０Ｃに形成された第１熱媒体流路２９Ａといずれかの端板とが接合した部分、及び端部用カソード側セパレータ１０Ｃに形成された第１熱媒体流路１９Ａと端部用アノード側セパレータ２０Ｃに形成された第１熱媒体流路２９Ａとが接合した部分が、セルスタック１の両方の端部Ｅの伝熱部ＨEを構成する。本実施形態においては、セルスタック１の両方の端部Ｅにおける伝熱部ＨEの数は、それぞれ２個ずつである。
また、残部用カソード側セパレータ１０Ｄに形成されたカソードガス流路１７から残部用アノード側セパレータ２０Ｄに形成されたアノードガス流路２８までの部分が、セルスタック１の残部Ｒの反応部を構成する。残部用カソード側セパレータ１０Ｄに形成された第２熱媒体流路１９Ｂと残部用アノード側セパレータ２０Ｄに形成された第２熱媒体流路２９Ｂとが接合した部分が、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを構成する。
以上のように構成された燃料電池２０１では、熱媒体が以下のように通流する。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスの通流は、第１実施形態の燃料電池システム１００で用いる燃料電池１０１と同じである。
第１熱媒体供給装置１２０Ａは、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａ（第１熱媒体供給配管３０Ａ）を通じて、第１熱媒体入口４０１Ａからセルスタック１の第１熱媒体供給マニホールド８Ａに熱媒体を供給する。第１熱媒体供給マニホールド８Ａに供給された熱媒体は、第１熱媒体供給マニホールド８Ａから、端部Ｅの各セル２の第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａ，２５Ａに流入し、端部Ｅの伝熱部ＨE（第１熱媒体流路１９Ａ，２９Ａ）を通流する。そして、この間に、端部用カソード側セパレータ１０Ｃ及び端部用アノード側セパレータ２０Ｃを介して端部Ｅのカソード及びアノードと熱交換を行い、第１サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ａ，２６Ａから第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａに流出し、第１熱媒体出口４０２Ａから第１外部熱媒体流通経路１１２Ａ（第１熱媒体排出配管５５Ａ）を通じてセルスタック１から排出される。
一方、第２熱媒体供給装置１２０Ｂは、第２熱媒体流通経路１１２Ｂ（第２熱媒体供給配管３０Ｂ）を通じて、第２熱媒体入口４０１Ｂからセルスタック１の第２熱媒体供給マニホールド８Ｂに熱媒体を供給する。第２熱媒体供給マニホールド８Ｂに供給された熱媒体は、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂから、残部Ｒの各セル２の第２熱媒体供給マニホールド孔１５Ｂ，２５Ｂに流入し、残部Ｒの伝熱部ＨR（第２熱媒体流路１９Ｂ，２９Ｂ）を通流する。そして、この間に、残部用カソード側セパレータ１０Ｄ及び残部用アノード側セパレータ２０Ｄを介して残部Ｒのカソード及びアノードと熱交換を行い、第２サブ熱媒体排出マニホールド孔１６Ｂ，２６Ｂから第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂに流出し、第２熱媒体出口４０２Ｂから第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂ（第２熱媒体排出配管５５Ｂ）を通じてセルスタック１から排出される。
次に、本実施形態の燃料電池システム２００の動作について説明する。燃料電池システム２００は、燃料電池２０１による発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを有していて、以下ではこれらを説明する。なお、燃料電池システム２００の以下の動作は、制御装置１６０により実現される。具体的には、制御装置１６０の記憶部１６１に格納された制御プログラムを、制御装置１６０の演算部１６２が遂行することにより実現される。
図１６に示すように、制御装置１６０は、燃料電池システム２００を起動する（ステップＳ２１）。次に、制御装置１６０が、第１熱媒体供給装置１２０Ａ及び第２熱媒体供給装置１２０Ｂを制御して（ステップＳ２２）、熱媒体の供給を開始する。これにより、第１熱媒体供給マニホールド８Ａを通じてセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体が通流し、この熱媒体が第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａを通じてセルスタック１から排出される。また、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂを通じてセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体が通流し、この熱媒体が第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂを通じてセルスタック１から排出される。このように、熱媒体を端部Ｅの伝熱部ＨE及び残部Ｒの伝熱部ＨRに通流させることによって、セルスタック１の全体が速やかにあたためられる。本実施形態では、第１熱媒体供給装置１２０Ａから端部Ｅに供給される熱媒体の温度は６５℃に設定され、第２熱媒体供給装置１２０Ｂから残部Ｒに供給される熱媒体の温度は６０℃に設定されている。このように、第１熱媒体供給装置１２０Ａから端部Ｅに供給される熱媒体の温度を第２熱媒体供給装置１２０Ｂから残部Ｒに供給される熱媒体の温度よりも高く設定すると、放熱の大きい端部Ｅを速やかにあたためることができるので好ましい。
次に、制御装置１６０は、第１温度検知装置１４０Ａを介して第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａから排出される熱媒体の温度ＴAを取得すると共に、第２温度検知装置１４０Ｂを介して第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂから排出される熱媒体の温度ＴBを取得する（ステップＳ２３）。制御装置１６０は、このように取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が発電開始可能温度Ｔ1以上かどうかを判定する（ステップＳ２４）。取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBのいずれかが発電開始可能温度Ｔ1未満である場合には、制御装置１６０は、熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が発電開始可能温度Ｔ1以上になるまで、上記のステップＳ２２〜ステップＳ２４を繰り返す。本実施形態では、発電開始可能温度Ｔ1が５５℃に設定されている。なお、発電開始可能温度Ｔ1は、５０〜５５℃の範囲となるよう設定されることが好ましい。
一方、ステップＳ２４において、取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が発電開始可能温度Ｔ1以上になると、制御装置１６０は、燃料ガス供給装置１０２を制御して燃料ガスを燃料電池２０１のアノードに供給すると共に、酸化剤ガス供給装置１０３を制御して酸化剤ガスを燃料電池２０１のカソードに供給する（ステップＳ２５）。
次に、制御装置１６０は、インバータ１５０を介して燃料電池２０１から電力を取り出す（ステップＳ２６）。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって反応熱が発生する。この反応熱によりセルスタック１の温度が上昇する。
その後、制御装置１６０は、第１温度検知装置１４０Ａを介して第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａから排出される熱媒体の温度ＴAを取得すると共に、第２温度検知装置１４０Ｂを介して第２サブ熱媒体排出マニホールド９Ｂから排出される熱媒体の温度ＴBを取得する（ステップＳ２７）。そして、制御装置１６０は、取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が継続発電可能温度Ｔ2以上かどうかを判定する（ステップＳ２８）。取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBのいずれかが継続発電可能温度Ｔ2未満である場合には、制御装置１６０は燃料電池２０１からの電力の取り出しを継続し（ステップＳ２６）、取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が継続発電可能温度Ｔ2以上になるまで、上記のステップＳ２６〜ステップＳ２８を繰り返す。ここで、継続発電可能温度Ｔ2は前述の発電開始可能温度Ｔ1よりも高い温度であり、本実施形態では６５℃に設定されている。なお、継続発電可能温度Ｔ2は、６５℃〜７０℃の範囲となるよう設定されることが好ましい。
ステップＳ２８において、取得した熱媒体の温度ＴA，ＴBの双方が継続発電可能温度Ｔ2以上になると、燃料電池システム２００では起動モードが終了して（ステップＳ２８）、発電モードに移行し、燃料電池２０１で発電が行われる（ステップＳ２９）。この状態においては、セルスタック１の温度が第１熱媒体供給装置１２０Ａから供給される熱媒体の温度（６５℃）及び第２熱媒体供給装置１２０Ｂから供給される熱媒体の温度（６０℃）よりも高くなっているので、セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒへの熱媒体の通流によって端部Ｅ及び残部Ｒは熱媒体により冷却される。
本実施形態の燃料電池システム２００は、上記のような構成としたため、第１熱媒体流通経路１１３Ａと、第２熱媒体流通経路１１３Ｂとに分けて熱媒体を供給することができる。したがって、第１熱媒体流通経路１１３Ａと、第２熱媒体流通経路１１３Ｂとに温度の異なる熱媒体を通流させることができる。例えば、燃料電池システム２００の起動モードにおいては、放熱の大きいセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに、より高い温度の熱媒体を供給することによって、セルスタック１の端部Ｅの温度を速やかに上昇させ、かつ、発電時には冷却を少なくして該端部Ｅを適温に保つことができる。
［変形例］
図１７は、第２実施形態の変形例を示す図であって、図１０の燃料電池システムを制御する制御プログラム示すフローチャートである。すなわち、本変形例においては、第２実施形態の燃料電池システム２００を用い、この燃料電池システム２００を制御する制御プログラムを変更する。
図１７に示すように、ステップＳ４１〜ステップＳ４５までは、第２実施形態の燃料電池システム２００を制御する制御プログラムのステップＳ２１〜ステップＳ２５と同じである。したがって、以下では、ステップＳ４６以降のステップについて説明する。
制御装置１６０は、燃料ガス供給装置１０２を制御して燃料ガスを燃料電池２０１のアノードに供給すると共に、酸化剤ガス供給装置１０３を制御して酸化剤ガスを燃料電池２０１のカソードに供給し（ステップＳ４５）、その後、第２熱媒体供給装置１２０Ｂを制御して、残部Ｒへの熱媒体の供給を停止する（ステップＳ４６）。これにより、第２熱媒体供給装置１２０Ｂから残部Ｒの伝熱部ＨRへの熱媒体の供給は停止するが、第１熱媒体供給装置１２０Ａから端部Ｅの伝熱部ＨEへの熱媒体の供給は継続する。
その後、制御装置１６０は、インバータ１５０を介して燃料電池２０１から電力を取り出す（ステップＳ４７）。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって反応熱が発生する。この反応熱によりセルスタック１の温度が上昇する。このとき、残部Ｒの伝熱部ＨRと端部Ｅの伝熱部ＨEとの双方に熱媒体が供給されたままであると、残部Ｒの伝熱部ＨRに供給される熱媒体の温度が端部Ｅの伝熱部ＨEに供給される熱媒体の温度より低いが、放熱が無い分、残部Ｒの温度上昇が若干大きくなり、残部Ｒと端部Ｅとで温度が若干不均一に上昇する。しかし、本変形例では、この時点では残部Ｒの伝熱部ＨRへの熱媒体の供給が停止されているので、残部Ｒと端部Ｅとで温度がより均一に上昇する。
その後、制御装置１６０は、第１温度検知装置１４０Ａを介して第１サブ熱媒体排出マニホールド９Ａから排出される熱媒体の温度ＴAを取得する（ステップＳ４８）。そして、制御装置１６０は、取得した熱媒体の温度ＴAが継続発電可能温度Ｔ2以上かどうかを判定する（ステップＳ４９）。取得した熱媒体の温度ＴAが継続発電可能温度Ｔ2未満である場合には、制御装置１６０は燃料電池２０１からの電力の取り出しを継続し（ステップＳ４７）、取得した熱媒体の温度ＴAが継続発電可能温度Ｔ2以上になるまで、上記のステップＳ４７〜ステップＳ４９を繰り返す。ここで、継続発電可能温度Ｔ2は前述の発電開始可能温度Ｔ1よりも高い温度であり、本実施形態では６５℃に設定されている。なお、本変形例では、継続発電可能温度Ｔ2は、６５℃〜７０℃の範囲となるよう設定されることが好ましい。
ステップＳ４９において、取得した熱媒体の温度ＴAが、継続発電可能温度Ｔ2以上になると、制御装置１６０は、第１熱媒体供給装置１２０Ａを制御して熱媒体の供給を停止すると共に、第２熱媒体供給装置１２０Ｂを制御して熱媒体の供給を開始する（ステップＳ５０）。これにより、燃料電池システム２００では起動モードが終了して（ステップＳ５０）、発電モードに移行し、燃料電池２０１で発電が行われる（ステップＳ５１）。この状態においては、セルスタック１の温度が第２熱媒体供給装置１２０Ｂから供給される熱媒体の温度（６０℃）よりも高くなっているので、セルスタック１の残部Ｒへの熱媒体の通流によって残部Ｒは熱媒体により冷却される。一方、セルスタック１の端部Ｅへの熱媒体の通流停止によって、端部Ｅは熱媒体により冷却されずに放熱のみよって冷却される。その結果、残部Ｒは熱媒体により必要な程度に冷却され、端部Ｅは放熱によってほぼ適温となる。これにより、燃料電池２０１で安定して発電が行われる。
本変形例では、燃料電池システム２００の起動モードにおいては、放熱の大きいセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体を供給しないことにより熱媒体による熱交換を防止してセルスタック１の端部Ｅの温度低下を抑制する。一方、燃料電池システム２００の発電モードにおいては、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体を通流させることにより残部Ｒを必要な程度に冷却する。したがって、起動モード及び発電モードの双方において、セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒの温度を制御することができる。これにより、燃料電池システム２００の速やかな起動と安定した発電とが実現される。
なお、本変形例では、燃料電池システム２００の起動モードにおいて、制御装置１６０が熱媒体の供給を停止させるよう第１熱媒体供給装置１２０Ａ及び第２熱媒体供給装置１２０Ｂを制御したが、熱媒体の供給量を増減させるよう第１熱媒体供給装置１２０Ａ及び第２熱媒体供給装置１２０Ｂを制御してもよい。このような構成とすると、セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒの温度に応じて、それぞれの伝熱部ＨE，ＨRに通流させる熱媒体の供給量を変化させることができるので、端部Ｅ及び残部Ｒの温度をより柔軟に制御することができる。
（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。図１９は、図１８の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図２０は、図１８の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。以下、図１８乃至図２０を参照しながら、第３実施形態の燃料電池及び燃料電池システムについて説明する。
図１８に示すように、第３実施形態の燃料電池３０１においては、第１実施形態（図１）の燃料電池におけるセルスタック１の構成を変更している。具体的には、後述するように、残部用カソード側セパレータ及び残部用アノード側セパレータの構成を変更している。また、第２の端板３Ｂに貫通孔４０７が設けられ、その外側の開口が第３熱媒体入口４０１Ｃを構成している。さらに、第１熱媒体供給配管３０Ａの途中には分岐部３１が設けられており、この分岐部３１に第３熱媒体供給配管３２が接続されている。以下、これらの変更点を詳細に説明する。
図１９に示すように、本実施形態で用いる残部用カソード側セパレータ１０Ｂには、第１熱媒体供給マニホールド孔１５Ａが設けられていない。それ以外の構成については、図７に示す残部用カソード側セパレータの構成と同じである。また、図２０に示すように、本実施形態で用いる残部用アノード側セパレータ２０Ｂには、第１熱媒体供給マニホールド孔２５Ａが設けられていない。それ以外の構成については、図８に示す残部用アノード側セパレータの構成と同じである。一方、端部用カソード側セパレータ１０Ａ及び端部用アノード側セパレータの構成については、第１実施形態で用いたもの（図５に示す端部用カソード側セパレータ、及び図６に示す端部用アノード側セパレータ）の構成と同じである。このような構成により、図１８に示すように、第１熱媒体供給マニホールド８Ａがセルスタック１の両方の端部Ｅのみに形成される一方、セルスタック１の残部Ｒには第１熱媒体供給マニホールド８Ａが形成されない。すなわち、第１熱媒体供給マニホールド８Ａがセル積層体１０５の全部を積層方向に貫通するように形成されていない。
貫通孔４０７は、第１熱媒体供給マニホールド８Ａが形成された位置に対応する第２の端板３Ｂの部分に形成されている。これにより、他方の端部Ｅに形成された第１熱媒体供給マニホールド８Ａと貫通孔４０７とが連通している。
分岐部３１は、第１熱媒体供給配管３０Ａにおける第１開閉弁３０Ａが配設された部分よりも下流側に設けられている。分岐部３１には、第３熱媒体供給配管３２の上流端が接続されている。
そして、第１熱媒体供給配管３０Ａの下流端がセルスタック１の一方の端部Ｅに熱媒体を供給する第１熱媒体入口４０１Ａに接続されると共に、第３熱媒体供給配管３２の下流端がセルスタック１の他方の端部Ｅに熱媒体を供給する第３熱媒体入口４０１Ｃに接続されている。これにより、セルスタック１の両方の端部Ｅのみに形成された第１熱媒体供給マニホールド８Ａを介して端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体が通流される。それ以外の構成については、第１実施形態の燃料電池と同じである。
本実施形態の燃料電池３０１及び燃料電池システムにおいても、第１実施形態のものと同様の効果を奏する。
また、本実施形態の燃料電池３０１及び燃料電池システムにおいては、第１熱媒体供給マニホールド８Ａがセル積層体１０５の全部を積層方向に貫通するように形成されていないので、熱媒体供給マニホールド同士における熱媒体の熱交換が防止される。これにより、セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒに適切な温度の熱媒体を供給することができる。
（第４実施形態）
図２１は、本発明の第４実施形態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２２は、図２１の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。以下、図２１及び図２２を参照しながら、本実施形態の燃料電池システム及び燃料電池について説明する。
本実施形態の燃料電池システム４００及び燃料電池４０１においては、第１実施形態の燃料電池システム及び燃料電池における第１開閉弁（第１開閉装置、第１流量非制限／制限装置）１３０Ａを第１流量調整弁（第１流量調整装置、第１流量非制限／制限装置）１３１Ａに置換すると共に、第２開閉弁（第２開閉装置、第２流量非制限／制限装置）１３０Ｂを第２流量調整弁（第２流量調整装置、第２流量非制限／制限装置）１３１Ｂに置換している。また、本実施形態においては、第１実施形態の燃料電池システムの制御プログラム（図９）を変更している。それ以外の構成については、第１実施形態の燃料電池システム及び燃料電池の構成と同じである。
次に、本実施形態の燃料電池システム４００の動作について、図９を引用しながら説明する。本実施形態の燃料電池システム４００の制御プログラムでは、図９の制御プログラムの各ステップにおいて、第１開閉弁が第１流量調整弁に置換され、第２開閉弁が第２流量調整弁に置換されている。
本実施形態の燃料電池システム４００の制御プログラムは、ステップＳ１は図９の制御プログラムのステップＳ１と同様である。
次に、ステップＳ２において、制御装置１６０は、第１流量調整弁１３１Ａ及び第２流量調整弁１３１Ｂを、それぞれ所定の開度となるよう制御する。この場合、第１流量調整弁１３１Ａの開度が第２流量調整弁１３１Ｂの開度よりも大きい。これにより、セルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEを流れる熱媒体の流量がセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを流れる熱媒体の流量よりも多くなる。したがって、セルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに、より多くの熱媒体が流れるので、セルスタック１の残部Ｅを速やかにあたためることができる。
その後のステップＳ３〜ステップＳ５は、図９の制御プログラムの各ステップと同様である。
次に、ステップＳ６において、制御装置１６０は、第２流量調整弁１３１Ａの開度を小さくする。これにより、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを流れる熱媒体の流量が減少する。
その後のステップＳ７〜ステップＳ９は、図９の制御プログラムの各ステップと同様である。
次に、ステップＳ１０において、制御装置１６０は、第１流量調整弁１３１Ａの開度を小さくすると共に、第２流量調整弁１３１Ｂの開度を大きくする。これにより、セルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEを流れる熱媒体の流量が減少する。また、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを流れる熱媒体の流量が増加する。この場合において、制御装置１６０は、第２流量調整弁１３１Ｂの開度を第１流量調整弁１３１Ａの開度よりも大きくする。これにより、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを流れる熱媒体の流量が、セルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEを流れる熱媒体の流量よりも多くなる。その後、発電モードに移行し、燃料電池４０１で発電が行われる（ステップＳ１１）。この場合において、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRと端部Ｅの伝熱部ＨEとにそれぞれ流れる熱媒体の流量を適切に調整することにより、残部Ｒと端部Ｅとの冷却の程度を適切に調整することができる。
本実施形態の燃料電池システム４００及び燃料電池４０１においては、上記のような構成としたため、起動時においてはセルスタック１の端部Ｅをより速やかにあたためることができると共に、発電時においてはセルスタック１の残部Ｒと端部Ｅとの冷却の程度を適切に調整することができる。
（第５実施形態）
図２３は、本発明の第５実施形態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。以下、図２３を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムについて説明する。
本実施形態の燃料電池システム５００は、図２３に示すように、第１実施形態の燃料電池システムにおける外部熱媒体流通経路１１２の構成を変更している。また、熱媒体供給装置１２０は、本実施形態では、熱媒体を循環させるポンプ（図示せず）と、加熱用の温度調整装置（図示せず）としてのヒータを備えている。ヒータは、熱媒体供給装置１２０から供給される熱媒体を加熱する。さらに、本実施形態では、冷却用の温度調整装置としての熱交換器１８０が、熱媒体供給装置１２０とは別に設けられている。それ以外の構成については、第１実施形態の燃料電池システムと同じである。
次に、外部熱媒体流通経路１１２の構成について、詳しく説明する。
本実施形態の燃料電池システム５００では、外部熱媒体流通経路１１２（の被バイパス部分１１８）の途中に、流量調整弁（流量調整装置）１７０と、熱交換器１８０と、が順に設けられている。なお、流量調整弁１７０は、外部熱媒体流通経路１１２における熱交換器１８０が配設された部分よりも下流側に設けられていてもよい。流量調整弁１７０は、熱媒体排出マニホールド９から排出された熱媒体が外部熱媒体流通経路１１２を通って熱交換器１８０に流れる流量を調整する（ひいては、熱交換器１８０を流れる熱媒体の流量と、バイパス経路１１５を流れる熱媒体の流量との比率を調整する）。熱交換器１８０は、その内部に熱媒体が流れる流路が形成されると共に、その内部に市水が流れる流路が形成されている。発電モードにおいては、熱交換器１８０を流れる市水の温度は、熱交換器１８０を流れる熱媒体の温度よりも低い。これにより、熱媒体から市水に熱が移動し、熱媒体が冷却される。このように冷却された熱媒体が、熱媒体供給装置１２０に流れる。なお、熱交換器１８０の市水が流れる流路に、熱交換器１８０を流れる熱媒体の温度よりも高い温度の水 (例えば、貯湯水)を流し、市水と貯湯水とを切り替えて流すことができる場合には、熱交換器１８０は、熱媒体を加熱及び／又は冷却する加熱／冷却器として機能する。
また、外部熱媒体流通経路１１２には、分岐部１１４が形成されている。分岐部１１４には、バイパス経路１１５の上流端が接続されている。バイパス経路１１５の下流端は熱媒体供給装置１２０に接続されている。このバイパス経路１１５は、熱交換器１８０をバイパスして、直接に熱媒体を熱媒体供給装置１２０に流す。これにより、外部熱媒体流通経路１１２（の被バイパス部分１１８）から熱媒体供給装置１２０に流れる熱媒体と、バイパス経路１１５から熱媒体供給装置１２０に流れる熱媒体とが、熱媒体供給装置１２０において混合される。この場合において、制御装置１６０が、流量調整弁１７０の開度を制御することにより、混合の割合が変更される。これにより、熱媒体供給装置１２０から供給される熱媒体の温度を適宜、変更することができる。
次に、本実施形態の燃料電池システム５００の起動モード及び発電モードにおける熱媒体の温度調整の動作及び供給の動作について説明する。また、本実施形態の制御プログラムは、基本的に第１実施形態の燃料電池システムの制御プログラムと同様であるため、相違点のみを説明する。なお、これらの動作は、制御装置１６０によって実現される。
起動モードにおいては、制御装置１６０が、第１開閉弁１３０Ａ及び第２開閉弁１３０Ｂを開いて（図９のステップＳ２を参照）セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒに熱媒体を供給し、その後、第２開閉弁１３０Ｂを閉じて（図９のステップＳ６を参照）セルスタック１の端部Ｅに熱媒体を供給する。この場合において、制御装置１６０は、流量調整弁１７０を閉じると共に、図示しないヒータによって熱媒体を所定の温度（ここでは、６０℃）に加熱する。これにより、セルスタック１を昇温することができる。
一方、発電モードにおいては、制御装置１６０が、第１開閉弁１３０Ａを閉じ、第２開閉弁１３０Ｂを開いて（図９のステップＳ１０を参照）セルスタック１の残部Ｒにのみ熱媒体を供給する。これにより残部Ｒが冷却されるとともに熱媒体は残部Ｒの反応部Ｐで発生する反応熱を回収して昇温される。さらに、制御装置１６０は流量調整弁１７０を開いて、熱交換器１８０により熱交換（冷却）された熱媒体を熱媒体供給装置１２０に供給する。すると、熱媒体供給装置１２０において、熱交換器１８０により冷却された熱媒体と、バイパス経路１１５を通った昇温されたままの熱媒体とが混合される。そこで、制御装置１６０は、この混合された熱媒体の温度が上記所定の温度（６０℃）となるよう流量調整弁１７０の開度を調整する。なお、発電モードにおいては、熱媒体供給装置１２０が備えるヒータは停止される。これにより、熱媒体供給装置１２０から所定の温度の熱媒体がセルスタック１の残部Ｒに供給され、セルスタック１が適切に冷却される。
このように、本実施形態の燃料電池システム５００においても、第１実施形態の燃料電池システムと同様の効果が得られる。
なお、上記では、セルスタック１に一定の温度（６０℃）の熱媒体を供給したが、起動モードと発電モードとで異なった温度の熱媒体を供給してもよい。例えば、起動モードにおいて発電モードにおける温度より高い温度の熱媒体を供給してもよく、それにより、セルスタック１をより速やかに昇温させることができる。
なお、本実施形態の燃料電池システム５００においては、Ｔ型管継手１２５と第１熱媒体入口４０１Ａとの間の第１熱媒体供給配管３０Ａ（図２参照）に第１温度調整装置（図示せず）が配設されると共に、Ｔ型管継手１２５と第２熱媒体入口４０１Ｂとの間の第２熱媒体供給配管３０Ｂ（図２参照）に第２温度調整装置（図示せず）が配設されていてもよい。これにより、熱媒体供給装置１２０により供給される熱媒体が第１熱媒体供給配管３０Ａを流れる場合には第１温度調整装置により熱媒体の温度が再調整され、熱媒体供給装置１２０により供給される熱媒体が第２熱媒体供給配管３０Ｂを流れる場合には第２温度調整装置により熱媒体の温度が再調整される。したがって、起動モードにおいて、第１熱媒体供給マニホールド８Ａを通じてセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに熱媒体を通流させると共に、第２熱媒体供給マニホールド８Ｂを通じてセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRに熱媒体を通流させる場合において、端部Ｅの伝熱部ＨEと残部Ｒの伝熱部ＨRとに異なった温度の熱媒体を供給することができる。特に、端板３Ａ，３Ｂからの放熱の大きいセルスタック１の端部Ｅの伝熱部ＨEに、より高い温度の熱媒体を通流させることにより、セルスタック１の端部Ｅの温度を速やかに上昇させることができる。
さらに、セルスタック１の端部Ｅと残部Ｒとのうちのどちらか一方に通流させる熱媒体の温度を再調整する場合には、Ｔ型管継手１２５と第１熱媒体入口４０１Ａとの間の第１熱媒体供給配管３０Ａと、Ｔ型管継手１２５と第２熱媒体入口４０１Ｂとの間の第２熱媒体供給配管３０Ｂと、のうちのどちらか一方に温度調整装置（図示せず）が配設されていればよい。
（第６実施形態）
図２４は、本発明の第６実施形態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２５は、図２４の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。以下、図２４及び図２５を参照しながら、本実施形態の燃料電池システム及び燃料電池について説明する。
本実施形態の燃料電池システム６００及び燃料電池６０１は、第１実施形態の燃料電池システム（図１）及び燃料電池（図２）における、熱媒体の温度検知装置の配設位置を変更している。
第１実施形態においては、熱媒体の温度検知装置は、熱媒体排出マニホールド９の出口付近の外部熱媒体流通経路１１２に配設されている。本実施形態では、図２４及び図２５に示すように、熱媒体の温度検知装置１４１，１４３は、熱媒体排出マニホールド９の内部に配設されている。具体的には、セルスタック１の端部Ｅかつ熱媒体出口４０２付近の熱媒体排出マニホールド９には、端部用温度検知装置１４１が配設されている。また、セルスタック１の残部Ｒの熱媒体排出マニホールド９には、残部用温度検知装置１４３が配設されている。残部用温度検知装置１４３は、セルスタック１の残部Ｒのほぼ中央部に配設されている。もちろん、セルスタック１の残部Ｒの熱媒体排出マニホールド９の中央部以外の部分に残部用温度検知装置１４３が配設されていてもよい。この場合において、中央部以外に配設された残部用温度検知装置により検知された温度を中央部の温度に補正してもよいし、誤差を許容する場合には補正しなくてもよい。また、残部用温度検知装置１４３がセルスタック１の残部Ｒの熱媒体排出マニホールド９に複数個設けられていて、その平均値をとるような構成としてもよい。端部用温度検知装置１４１及び残部用温度検知装置１４３は、熱媒体排出マニホールド９の内部を流れる熱媒体の温度を検知する。また、端部用温度検知装置１４１と残部用温度検知装置１４３とを別に設けているので、端部Ｅと残部Ｒ（の中央部）との温度を個別に検知することができる。そして、図２４に示すように、端部用温度検知装置１４１及び残部用温度検知装置１４３によって検知された温度は、制御装置１６０に入力される。それ以外の構成については、第１実施形態の燃料電池システム及び燃料電池と同じである。
このような本実施形態の燃料電池システム６００及び燃料電池６０１においても、第１実施形態のものと同様の効果が得られる。
また、本実施形態の燃料電池システム６００及び燃料電池６０１においては、セルスタック１の端部Ｅ及び残部Ｒの熱媒体の温度が個別に検知でき、それに応じて端部Ｅ及び残部Ｒに供給する熱媒体の温度を制御することにより、高い精度で端部Ｅと残部Ｒとの温度制御ができるようになる。
さらに、本実施形態のように端部用温度検知装置及び残部用温度検知装置を熱媒体排出マニホールドの内部に設ける構成は、第２実施形態の燃料電池システム（図１０）及び燃料電池（図１１）に適用することもできる。具体的には、第１熱媒体排出マニホールド９Ａの出口付近に端部用温度検知装置を配設すると共に、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂの中央部に残部用温度検知装置を配設する。なお、上記と同様に、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂに配設する残部用温度検知装置の位置は中央部以外であってもよい。この場合において、中央部以外に配設された残部用温度検知装置により検知された温度を中央部の温度に補正してもよいし、誤差を許容する場合には補正しなくてもよい。また、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂに残部用温度検知装置が複数個配設されていて、これらの平均値をとってもよい。
なお、本実施形態の燃料電池システム６００及び燃料電池６０１においては、熱媒体排出マニホールド９の内部に端部用温度検知装置１４１及び残部用温度検知装置１４３が配設されていた。しかし、熱媒体排出マニホールド９の内部にではなくセル２に各温度検知装置を配設してもよい。具体的には、セルスタック１の端部Ｅのセル２に端部用温度検知装置１４１を配設すると共に、セルスタック１の残部Ｒのセル２に残部用温度検知装置１４３を配設する。そして、各温度検知装置１４１，１４３によって検知されたセル２の温度を適宜補正して、熱媒体排出マニホールド９を流れる熱媒体の温度に換算してもよい。すなわち、熱媒体排出マニホールド９を流れる熱媒体の温度を直接的に測定してもよいし、セル２の温度を検出してこれを補正することにより熱媒体排出マニホールド９を流れる熱媒体の温度を間接的に測定してもよい。
（第７実施形態）
図２６は、本発明の第７実施形態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２７は、図２６の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。以下、図２６及び図２７を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムについて説明する。
本実施形態の燃料電池システム７００においては、第２実施形態の燃料電池システムにおける第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂの構成を変更している（なお、燃料電池システム７００に用いる燃料電池は、図１１に示した燃料電池２０１と同じである）。
具体的には、図２６に示すように、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａの途中に第１の三方弁（第１流通経路選択装置）１３４が配設されている。第１の三方弁１３４は、第１のポート１３４ａ、第２のポート１３４ｃ、第３のポート１３４ｂを備えている。第１のポート１３４ａには、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａにおける第１熱媒体出口４０２Ａに至る経路が接続されている。第２のポート１３４ｃには、第１外部熱媒体流通経路１１２Ａにおける第１熱媒体供給装置１２０Ａに至る経路の下流端が接続されている。第３のポート１３４ｂには、第３外部熱媒体流通経路１１７の上流端が接続されている。第３外部熱媒体流通経路１１７の下流端は、第２熱媒体供給装置１２０Ｂに接続されている。制御装置１６０は、第１のポート１３４ａの連通先を、第２のポート１３４ｃと第３のポート１３４ｂとで切り替える。これにより、第１熱媒体排出マニホールド９Ａから排出された熱媒体の流通先が、第１熱媒体供給装置１２０Ａと第２熱媒体供給装置１２０Ｂとで切り替わる。
また、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂの途中に第２の三方弁（第２流通経路選択装置）１３５が配設されている。第２の三方弁１３５は、第１のポート１３５ａ、第２のポート１３５ｂ、第３のポート１３５ｃを備えている。第１のポート１３５ａには、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂにおける第２熱媒体出口４０２Ｂに至る経路が接続されている。第２のポート１３５ｂには、第２外部熱媒体流通経路１１２Ｂにおける第２熱媒体供給装置１２０Ｂに至る経路の下流端が接続されている。第３のポート１３５ｃには、第４外部熱媒体流通経路１１６の上流端が接続されている。第４外部熱媒体流通経路１１６の下流端は、第１熱媒体供給装置１２０Ａに接続されている。制御装置１６０は、第１のポート１３５ａの連通先を、第２のポート１３５ｂと第３のポート１３５ｃとで切り替える。これにより、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂから排出された熱媒体の流通先が、第２熱媒体供給装置１２０Ｂと第１熱媒体供給装置１２０Ａとで切り替わる。
次に、本実施形態の燃料電池システム７００の特徴的な動作について説明する。
初期状態において、第１及び第２の三方弁１３４，１３５の第１のポート１３４ａ，１３５ａは、第２のポート１３４ｃ，１３５ｂに連通している（ステップＳ６１）。これ以外は、ステップＳ６１〜ステップＳ６６までは、第２実施形態の燃料電池システムを制御する制御プログラム（図１６）のステップＳ２１〜ステップＳ２６と同様である。したがって、以下では、ステップＳ６７以降のステップについて説明する。
ステップＳ６６において電力の取り出しを開始した後に、制御装置１６０は、第１及び第２の三方弁１３４，１３５の第１のポート１３４ａ，１３５ａの連通先を、第２のポート１３４ｃ，１３５ｂから第３のポート１３４ｂ，１３５ｃに切り替える（ステップＳ６７）。これにより、第１熱媒体排出マニホールド９Ａから排出された熱媒体の流通先が第１熱媒体供給装置１２０Ａから第２熱媒体供給装置１２０Ｂに切り替わると共に、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂから排出された熱媒体の流通先が第２熱媒体供給装置１２０Ｂから第１熱媒体供給装置１２０Ａに切り替わる。ここで、第２熱媒体排出マニホールド９Ｂから排出された熱媒体はセルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを通流して、反応部Ｐにおける発電反応による反応熱を回収して昇温されている。したがって、このように昇温された熱媒体が第１熱媒体供給装置１２０Ａに供給されるので、第１熱媒体供給装置１２０Ａの備える熱媒体加熱用の温度調整装置（図示せず）による消費エネルギーが少なくて済む。
その後のステップＳ６８〜ステップＳ７０は、図１６の制御プログラムの対応する各ステップ（ステップＳ２７〜ステップＳ２９）と同様である。
このような本実施形態の燃料電池システム７００においても、第２実施形態の燃料電池システムと同様の効果が得られる。
また、本実施形態の燃料電池システム７００においては、セルスタック１の残部Ｒの伝熱部ＨRを通流して熱を回収し昇温された熱媒体を第１熱媒体供給装置１２０Ａに供給し、この熱媒体をセルスタック１の端部Ｅに通流させるため、第１熱媒体供給装置１２０Ａにおける熱媒体の昇温のためのエネルギーを節約することができる。
なお、上記各実施形態の燃料電池においては、セルスタック１の端部Ｅに伝熱部ＨEが２つ形成されている場合について説明した。この端部Ｅの伝熱部ＨEの数は、セルスタック１のセル数等によって適宜決定される。
また、上記各実施形態の燃料電池においては、端板３Ａ，３Ｂに接触するセパレータの主面に伝熱部ＨE（熱媒体流路）が形成されている場合について説明したが、本発明は、端板３Ａ，３Ｂに接触するセパレータの主面に伝熱部ＨE（熱媒体流路）が形成されていない場合についても適用できる。この場合においては、端部Ｅの伝熱部ＨEの数は、上記決定された伝熱部ＨEの数から１を減少させた数となる。上記各実施形態では、セルスタック１の端部Ｅに伝熱部ＨEが２つ形成されていたので、端板３Ａ，３Ｂに接触するセパレータの主面に伝熱部ＨE（熱媒体流路）が形成されていない場合には、端部Ｅの伝熱部ＨEの数は１個となる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池及び燃料電池システムは、起動時及び発電時の双方において、セルスタックの温度を制御することができる燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムとして有用である。
図１は、本発明の第１実施形態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は、図１の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。 図３は、図２の燃料電池の斜視図である。 図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。 図５は、図２の燃料電池に用いる端部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図６は、図２の燃料電池に用いる端部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図７は、図２の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図８は、図２の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図９は、図１の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第２実施形態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１１は、図１０の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。 図１２は、図１１の燃料電池に用いる端部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図１３は、図１１の燃料電池に用いる端部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図１４は、図１１の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図１５は、図１１の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図１６は、図１０の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。 図１７は、第２実施形態の変形例を示す図であって、図１０の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。 図１８は、本発明の第３実施形態の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。 図１９は、図１８の燃料電池に用いる残部用カソード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図２０は、図１８の燃料電池に用いる残部用アノード側セパレータの両主面の構造を示す平面図であって、（ａ）は燃料ガス流路が形成された主面を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の背面を示す図であって熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。 図２１は、本発明の第４実施形態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２２は、図２１の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。 図２３は、本発明の第５実施形態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２４は、本発明の第６実施形態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２５は、図２４の燃料電池システムに用いる燃料電池の構成を示す模式図である。 図２６は、本発明の第７実施形態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２７は、図２６の燃料電池システムを制御する制御プログラムを示すフローチャートである。
符号の説明
１ セルスタック（スタック）
２ セル
３Ａ，３Ｂ 端板
４ 酸化剤ガス供給マニホールド
５ 燃料ガス供給マニホールド
６ 燃料ガス排出マニホールド
７ 酸化剤ガス排出マニホールド
８Ａ 第１熱媒体供給マニホールド
８Ｂ 第２熱媒体供給マニホールド
９ 熱媒体排出マニホールド
９Ａ 第１熱媒体排出マニホールド
９Ｂ 第２熱媒体排出マニホールド
１０ カソード側セパレータ
１０Ａ，１０Ｃ 端部用カソード側セパレータ
１０Ｂ，１０Ｄ 残部用カソード側セパレータ
１１，２１ 酸化剤ガス供給マニホールド孔
１２，２２ 燃料ガス供給マニホールド孔
１３，２３ 酸化剤ガス排出マニホールド孔
１４，２４ 燃料ガス排出マニホールド孔
１５Ａ，２５Ａ 第１熱媒体供給マニホールド孔
１５Ｂ，２５Ｂ 第２熱媒体供給マニホールド孔
１６Ａ，２６Ａ 第１熱媒体排出マニホールド孔
１６Ｂ，２６Ｂ 第２熱媒体排出マニホールド孔
１７ 酸化剤ガス流路
１９，２９ 熱媒体流路
１９Ａ，２９Ａ 第１熱媒体流路
１９Ｂ，２９Ｂ 第２熱媒体流路
２０ アノード側セパレータ
２０Ａ，２０Ｃ 端部用アノード側セパレータ
２０Ｂ，２０Ｄ 残部用アノード側セパレータ
２８ 燃料ガス流路
３０ 熱媒体供給配管
３０Ａ 第１熱媒体供給配管
３０Ｂ 第２熱媒体供給配管
３１ 分岐部
３２ 第３熱媒体供給配管
４１ 高分子電解質膜
４２Ａ カソード
４２Ｂ アノード
４３ ＭＥＡ部材
４６ ガスケット
４７ Ｏリング収容溝
４８ Ｏリング
５１ 酸化剤ガス供給配管
５２ 酸化剤ガス排出配管
５３ 燃料ガス供給配管
５４ 燃料ガス排出配管
５５ 熱媒体排出配管
５５Ａ 第１熱媒体排出配管
５５Ｂ 第２熱媒体排出配管
１００，２００，４００，５００，６００，７００ 燃料電池システム
１０１，２０１，３０１，４０１，６０１ 燃料電池
１０２ 燃料ガス供給装置（反応ガス供給装置）
１０３ 酸化剤ガス供給装置（反応ガス供給装置）
１０５，２０５ セル積層体
１０７ 酸化剤ガス供給路
１０９ 燃料ガス供給路
１１０ 燃料ガス排出路
１１１ 酸化剤ガス排出路
１１２ 外部熱媒体流通経路
１１２Ａ 第１外部熱媒体流通経路
１１２Ｂ 第２外部熱媒体流通経路
１１３ 熱媒体流通経路
１１３Ａ 第１熱媒体流通経路
１１３Ｂ 第２熱媒体流通経路
１１４ 分岐部
１１５ バイパス経路
１１６ 第４熱媒体流通経路
１１７ 第３熱媒体流通経路
１１８ （外部熱媒体流通経路の）被バイパス部分
１２０ 熱媒体供給装置
１２０Ａ 第１熱媒体供給装置
１２０Ｂ 第２熱媒体供給装置
１２５ Ｔ型管継手
１２５ａ 第１の出口ポート
１２５ｂ 第２の出口ポート
１２５ｃ 入口ポート
１３０Ａ 第１開閉弁（第１開閉装置、第１流量非制限／制限装置）
１３０Ｂ 第２開閉弁（第２開閉装置、第２流量非制限／制限装置）
１３１Ａ 第１流量調整弁（第１流量調整装置、第１流量非制限／制限装置）
１３１Ｂ 第２流量調整弁（第２流量調整装置、第２流量非制限／制限装置）
１３４ 第１の三方弁（第１流通経路選択装置）
１３４ａ、１３５ａ 第１のポート
１３４ｃ、１３５ｂ 第２のポート
１３４ｂ、１３５ｃ 第３のポート
１３５ 第２の三方弁（第２流通経路選択装置）
１４０ 温度検知装置
１４０Ａ 第１温度検知装置
１４０Ｂ 第２温度検知装置
１４１ 端部用温度検知装置
１４３ 残部用温度検知装置
１５０ インバータ（電力回路部）
１６０ 制御装置
１６１ 記憶部
１６２ 演算部
１７０ 流量調整弁（流量調整装置）
１８０ 熱交換器
４０１Ａ 第１熱媒体入口
４０１Ｂ 第２熱媒体入口
４０２ 熱媒体出口
４０２Ａ 第１熱媒体出口
４０２Ｂ 第２熱媒体出口
４０３ 燃料ガス入口
４０４ 酸化剤ガス入口
４０５ 燃料ガス出口
４０６ 酸化剤ガス出口
４０７ 貫通孔
Ｅ スタックの端部
Ｒ スタックの残部
Ｈ 伝熱部
ＨE 端部の伝熱部
ＨR 残部の伝熱部
Ｐ 反応部

Claims (21)

  1. 反応ガスの反応により発熱を伴う発電をする１以上の反応部と、熱媒体の通流により該反応部との間で熱を授受する１以上の伝熱部とが、セルが積層されることによって、前記セルの積層方向において互いに隣接するように形成されたスタックと、
    前記積層方向におけるスタックの両方の端部の伝熱部に熱媒体を供給する第１熱媒体供給マニホールドと、
    前記スタックの前記両方の端部以外の部分である残部の伝熱部に熱媒体を供給する第２熱媒体供給マニホールドと、
    前記各伝熱部から熱媒体を排出するための熱媒体排出マニホールドと、を備えた、燃料電池。
  2. 前記第１熱媒体供給マニホールド、前記第２熱媒体供給マニホールド、及び前記熱媒体排出マニホールドが、前記スタックの内部に前記セルの積層方向に延びるように形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記第１熱媒体供給マニホールドが前記スタックの全長に渡って形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記第１熱媒体供給マニホールドが両方の前記端部にのみ形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
  5. 外部から前記第１熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開度を大／小にして非制限／制限する第１流量非制限／制限装置と、外部から前記第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開度を大／小にして非制限／制限する第２流量非制限／制限装置と、を備えた、請求項１に記載の燃料電池。
  6. 前記熱媒体排出マニホールドが少なくとも第１サブ熱媒体排出マニホールドと第２サブ熱媒体排出マニホールドとから構成され、
    前記第１サブ熱媒体排出マニホールドは前記両方の端部の伝熱部から熱媒体を排出し、
    前記第２サブ熱媒体排出マニホールドは前記残部の伝熱部から熱媒体を排出する、請求項１に記載の燃料電池。
  7. 請求項１に記載の燃料電池と、
    該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
    前記第１熱媒体供給マニホールド及び前記第２熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、
    制御装置と、を備えた、燃料電池システム。
  8. 請求項５に記載の燃料電池と、
    該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
    前記第１熱媒体供給マニホールド及び前記第２熱媒体供給マニホールドにそれぞれ前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置を介して熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、
    前記熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知装置と、
    前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置の開度を制御するための制御装置と、を備えた、燃料電池システム。
  9. 前記熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記熱媒体供給装置に還流する外部熱媒体流通経路と、
    前記外部熱媒体流通経路の途中と前記熱媒体供給装置とを接続するバイパス経路と、
    前記外部熱媒体流通経路の前記バイパス経路によってバイパスされた部分（以下、被バイパス部分）に設けられ該被バイパス部分を流れる熱媒体と熱交換する熱交換器と、
    前記外部熱媒体流通経路の被バイパス部分に設けられ前記制御装置の制御により該被バイパス部分を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整装置と、を備えた、請求項７に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御装置は、前記流量制御装置を通じて、前記外部熱媒体流通経路の被バイパス部分を経由した熱媒体と前記バイパス経路を経由した熱媒体との前記熱媒体供給装置における混合割合を変化させることにより、前記熱媒体供給装置が供給する熱媒体の温度を制御するよう構成されている、請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度に基づき、前記第１流量非制限／制限装置及び第２流量非制限／制限装置の開度を制御する、請求項９に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、
    前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１非制限／制限装置の開度を大にして前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部に熱媒体を制限することなく通流させると共に、前記第２非制限／制限装置の開度を大にして前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部に熱媒体を制限することなく通流させ、
    前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記第１非制限／制限装置の開度を維持すると共に前記第２流量非制限／制限置の開度を小にして前記反応ガス供給装置に反応ガスを前記燃料電池へ供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、
    その後、前記制御装置は、前記温度検知装置により検知された熱媒体の温度が前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記第１流量非制限／制限装置の開度を小にすると共に前記第２流量非制限／制限装置の開度を大にして、前記端部の伝熱部への熱媒体の通流を制限すると共に前記残部の伝熱部へ熱媒体を制限することなく通流させて、前記燃料電池システムを発電モードに移行させる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  13. 前記第１流量非制限／制限装置が、前記第１熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開／閉により許容及び阻止する第１開閉装置であり、前記第２流量非制限／制限装置が、前記第２熱媒体供給マニホールドへの熱媒体の通流をその開／閉により許容及び阻止する第２開閉装置であり、
    前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を大にして前記熱媒体を制限することなく通流させることが、前記第１及び第２開閉装置を開いて前記熱媒体を通流させることであり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を小にして前記熱媒体の通流を制限することが、前記第１及び第２開閉装置を閉じて前記熱媒体の通流を停止することである、請求項１１に記載の燃料電池。
  14. 前記第１流量非制限／制限装置が、前記第１熱媒体供給マニホールドへ流れる熱媒体の流量を調整する第１流量調整装置であり、前記第２流量非制限／制限装置が、前記第２熱媒体供給マニホールドへ流れる熱媒体の流量を調整する第２流量調整装置であり、
    前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を大にして前記熱媒体を制限することなく通流させることが、前記第１及び第２流量調整装置の開度を大きくして前記熱媒体の流量を増加させることであり、前記第１及び第２流量非制限／制限装置の開度を小にして前記熱媒体の通流を制限することが、前記第１及び第２流量調整装置の開度を小さくして前記熱媒体の流量を減少させることである、請求項１２に記載の燃料電池。
  15. 請求項６に記載の燃料電池と、
    該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
    前記第１熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する第１熱媒体供給装置と、
    前記第２熱媒体供給マニホールドに熱媒体を供給する第２熱媒体供給装置と、
    前記第１サブ熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する第１温度検知装置と、
    前記第２サブ熱媒体排出マニホールドを流れる熱媒体の温度又は前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の温度を直接的又は間接的に検知する第２温度検知装置と、
    前記第１熱媒体供給装置及び前記第２熱媒体供給装置を制御するための制御装置と、を備えた、燃料電池システム。
  16. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、
    前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれか一方が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１熱媒体供給装置に前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部へ熱媒体を供給させると共に、前記第２熱媒体供給装置に前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部へ熱媒体を供給させ、
    前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記反応ガス供給装置に前記燃料電池へ反応ガスを供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、
    その後、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記燃料電池システムを発電モードに移行させる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度に基づき、前記第１熱媒体供給装置及び前記第２熱媒体供給装置からの熱媒体の供給量を制御する、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を備え、かつ、前記制御装置は、前記燃料電池により発電をして外部負荷に電力を供給する発電モードと、停止状態から前記発電モードに移行する起動モードとを行うよう前記燃料電池を制御し、
    前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれか一方が発電開始可能温度Ｔ1未満である間は、前記第１熱媒体供給装置に前記第１熱媒体供給マニホールドを介して前記端部の伝熱部へ熱媒体を供給させると共に、前記第２熱媒体供給装置に前記第２熱媒体供給マニホールドを介して前記残部の伝熱部へ熱媒体を供給させ、
    前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが発電開始可能温度Ｔ1以上になると、前記第１熱媒体供給装置による前記端部の伝熱部へ熱媒体の供給を継続すると共に、第２熱媒体供給装置による前記残部の伝熱部への熱媒体の供給量を制限し、前記反応ガス供給装置に反応ガスを前記燃料電池へ供給させると共に、前記電力回路部に電力の取り出しを行わせ、
    その後、前記制御装置は、前記第１温度検知装置及び前記第２温度検知装置により検知された熱媒体の温度のいずれもが前記発電開始可能温度Ｔ1より高い継続発電可能温度Ｔ2以上になると、前記第１熱媒体供給装置による前記第１熱媒体供給マニホールドを介した前記端部の伝熱部への熱媒体の供給量を制限すると共に、前記第２熱媒体供給装置による前記第２熱媒体供給マニホールドを介した前記残部の伝熱部への熱媒体の供給量の制限を解除して、前記燃料電池システムを発電モードに移行させる、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  19. 前記制御装置は、前記熱媒体の供給を停止することによって前記熱媒体の供給量を制限する、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 前記第１熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度が、前記第２熱媒体供給装置から供給される熱媒体の温度よりも高い、請求項１５に記載の燃料電池システム。
  21. 前記燃料電池システムは、さらに、
    前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記第１熱媒体供給装置に還流させる第１外部熱媒体流通経路と、
    前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を前記第２熱媒体供給装置に還流させる第２外部熱媒体流通経路と、
    第３外部熱媒体流通経路と、
    前記第１外部熱媒体流通経路の途中に前記第３外部熱媒体流通経路を介して前記第２熱媒体供給装置に接続されて設けられ、前記第１サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の流通先を前記第１熱媒体供給装置と前記第２熱媒体供給装置との間で切り替える第１流通経路選択装置と、
    第４外部熱媒体流通経路と、
    前記第２外部熱媒体流通経路の途中に前記第４外部熱媒体流通経路を介して前記第１熱媒体供給装置に接続されて設けられ、前記第２サブ熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体の流通先を前記第２熱媒体供給装置と前記第１熱媒体供給装置との間で切り替える第２流通経路選択装置と、を備え、
    前記起動モードにおいて、前記制御装置は、前記反応ガス供給装置に前記燃料電池へ反応ガスを供給させると共に前記電力回路部に電力の取り出しを行わせた後に、前記第１流通経路選択装置を制御して前記第１熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を第３外部熱媒体流通経路を経由して第２熱媒体供給装置に通流させて前記第２熱媒体供給装置による前記第２熱媒体供給マニホールドを介した前記残部の伝熱部への熱媒体の供給を継続すると共に、前記第２流通経路選択装置を制御して前記第２熱媒体排出マニホールドから排出された熱媒体を第４外部熱媒体流通経路を経由して第１熱媒体供給装置に通流させて前記第１熱媒体供給装置による前記第１熱媒体供給マニホールドを介した前記端部の伝熱部への熱媒体の供給を継続する、請求項１６に記載の燃料電池システム。
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