JP4815733B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、低温環境下における暖機を効率的に行うことができる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極を設けた単位燃料電池セル（以下、単位セル）を、セパレータを介して水平方向に積層し、各電極に対する水素ガス、空気、冷却水の給排用に、各電極等を貫通する連通孔を備えたものが知られている。燃料電池には、さらに、最も外側に位置する単位セルの端部を構成する導電プレートの外側に、周囲を絶縁部材で囲んだ導電性の平板を設け、この平板から略垂直方向に向かって外周を絶縁した導電性材料から成る突起部を設けている。この突起部を電力取り出し用のターミナルとして使用することにより、積層方向及び高さ方向の占有スペースをできるかぎり少なくし、かつ、効率よく電力を取り出すことができる燃料電池を構成している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１００３９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような燃料電池においては、低温起動時に積層方向についての温度分布が生じるという問題があった。低温起動時には、燃料電池の積層方向中央周辺は温度が上昇し易い。これに比べて、積層方向端部の単位セルは雰囲気温度に左右されやすく、温度が上昇し難い。このため、積層方向中央部周辺の暖機が終了しても端部の暖機が終了するまで燃料電池全体の暖機が終了しないので、暖機終了までの時間が長くなるという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、暖機時の燃料電池の温度を均一化することにより暖機時間を短縮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。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
冷媒流路を有した単位セルを水平方向に複数積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記単位セルの積層方向に設けられ、前記冷媒流路に冷媒を分配する供給マニホールドと、前記単位セルを挟んで前記供給マニホールドと反対側に設けられ、前記冷媒流路から冷媒を回収する排出マニホールドを備える。また、前記供給マニホールドへの供給または、前記排出マニホールドからの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断する遮断手段を備える。さらに、前記単位セルのうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した単位セルのさらに積層方向外側に構成した平板と、前記平板の内部に設けられ、前記供給マニホールと前記排出マニホールドとを連通し、前記冷媒流路よりも圧力損失が小さいバイパス流路を備える。
【０００７】
【作用及び効果】
供給マニホールドへの供給または、排出マニホールドからの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断する遮断手段と、単位セルのうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した単位セルのさらに積層方向外側に構成した外板の内部に、供給マニホールドと排出マニホールドとを連通し、冷媒流路よりも圧力損失が小さいバイパス流路を備える。これにより、燃料電池スタック内への冷却水の流入または流出が遮断可能なので、冷却水が燃料電池スタック内を循環することにより、燃料電池スタックの温度を均一化することができる。また、積層方向端部の単位セルのさらに積層方向外側にバイパス流路を備え、冷媒がこのバイパス流路を流通することで、積層方向端部の単位セルが有する冷媒流路内を流れる冷媒に外気が与える影響を抑制することができるので、暖機時間を短縮することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１実施形態に用いる燃料電池スタック（以下、スタック１）の概略構成を図１に示す。ここでは、駆動源として車輌に搭載する燃料電池システムについて説明する。
【０００９】
スタック１を、単位セル１７を水平方向に複数積層することにより構成する。スタック１の冷却水経路１０を、単位セル１７のセル面に沿って形成した冷却水流路１１（図２、参照）、積層方向に沿って形成した供給マニホールド１２および排出マニホールド１３、供給マニホールド１２と排出マニホールド１３を連通するバイパス流路１４、とから構成する。
【００１０】
ここでは、供給マニホールド１２、排出マニホールド１３（以下、マニホールド１２、１３）は、電極を積層方向に貫通する連通孔により構成した内部マニホールドとする。セル面の鉛直方向上方に排出マニホールド１３を、下方に供給マニホールド１２を配置する。外部からスタック１に供給された冷却水は、供給マニホールド１２を通って、各単位セル１７に分配され、後述するように構成した冷却水流路１１内をセル面に沿って流れてから、排出マニホールド１３に回収され、スタック１の外部に排出される。スタック１へ供給される冷却水は、図示しないポンプや、圧力調整弁、流量調整弁、熱交換器により、圧力、流量、温度を制御可能としている。
【００１１】
ここで、セル面に構成した冷却水流路１１の構成を、図２を用いて説明する。図２（ｂ）には、中央部近傍に配置した中央部セル１７ｂのセル面に形成した冷却水流路１１ｂの構成を示す。図２（ａ）には、積層方向端部に配置した端部セル１７ａを含む、中央部セル１７ｂ以外の単位セル１７のセル面に形成した冷却水流路１１ａを示す。なお、中央部セル１７ｂおよび端部セル１７aは、それぞれ一つの単位セル１７を指すものとしてもよいが、ここでは複数の単位セル１７を指すものとする。各セル面を略四角形状に形成し、その対角線上にマニホールド１２、１３を構成する。
【００１２】
図２（ａ）に示すように、端部セル１７ａを含む中央部セル１７ｂ以外の単位セル１７のセル面には、面内を蛇行する一本の冷却水流路１１ａを形成する。これに対して、図２（ｂ）に示すように、中央部セル１７ｂには、流路断面積が冷却水流路１１ａより大きな冷却水流路１１ｂを形成する。また、冷却水流路１１ｂそれぞれの流路長を、冷却水流路１１ａより短く形成する。ここでは、冷却水流路１１ｂを３本の流路から形成する。冷却水流路１１ｂをセル面の対角線上に伸びる流路と、セル面の周囲に沿って形成された流路とから構成する。
【００１３】
このように冷却水流路１１ｂを形成することで、中央部セル１７ｂに供給された冷却水は熱交換を十分に行うことができると共に、流路を流れる際の圧力損失を低減することができる。そのため、後述するように、冷却水の温度差により生じる循環といったように循環圧力が小さい場合には、端部に比べて中央部に優先的に冷却水を流すことができる。
【００１４】
また、図１に示すように、スタック１の積層方向両端部には、平板２を設置する。ここでは、平板２を導電性の材料により構成した集電板とするが、この限りではない。例えば、エンドプレートとしてもよい。平板２内部には、それぞれマニホールド１２、１３をバイパスするバイパス流路１４ａ、１４ｂ（以下、バイパス流路１４）を構成する。ここでは、バイパス流路１４は、マニホールド１２、１３の端部を結ぶことにより、各セルの冷却水流路１１をバイパスするように構成する。また、バイパス流路１４はセル面に沿って略並行に構成する。さらに、バイパス流路１４の流路断面積は、冷却水流路１１の流路断面積より大きくなるように構成する。バイパス流路１４に冷却水が流通することにより、スタック１の端部への外部温度の影響を抑制することができる。
【００１５】
さらに、供給マニホールド１２への冷却水の入口部分１２ａには、供給バルブ３を備える。また、排出マニホールド１３の冷却水の出口部分１３ａには、排出バルブ１４を備える。供給バルブ３、排出バルブ４（以下、バルブ３、４）を閉じることで、外部システムを経ることなくスタック１内部のみを冷却水が循環する。なお、バルブ３、４は、どちらか一方だけを配置してもよい。また、供給バルブ３を、入口部分１２ａのさらに上流側に設けてもよく、冷却水の供給を遮断できればよい。同様に、排出バルブ４を、出口部分１３ａのさらに下流側に設けてもよく、冷却水の排出を遮断できればよい。
【００１６】
次に、このように構成したスタック１の低温起動時における起動制御の概略を説明する。
【００１７】
冷却水として、冷却水経路１０に不凍液を供給する。または、冷却水として水を用い、解凍手段を備えてもよい。冷却水は、スタック１に燃料の供給を開始する時点で、冷却水経路１０内を冷却水が流通可能なものを用いる。
【００１８】
ここでは、低温起動時には、スタック１の自己発熱による暖機運転を行う。スタック１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給する。このとき、スタック１が低温のため十分な発電は望めないが、一部の燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することによりスタック１で発電に伴う自己発熱が開始される。特に、スタック１の中央部セル１７ｂでは、近傍の単位セル１７も発熱しているので温度が上昇し易い。反対に端部セル１７ａでは、隣接する平板２には発熱がなく、また、外部の低温環境の影響を受け易いので、温度が上昇し難い。
【００１９】
そこで、冷却水経路１０に冷却水が満たされた状態で、バルブ３、４を閉じる。これにより、冷却水経路１０は、スタック１内で閉流路となる。中央部セル１７ｂ内の冷却水の温度は上昇し、バイパス流路１４および端部セル１７ａ内の冷却水温度は上昇し難いので、冷却水経路１０内に温度差が生じてスタック１内で冷却水の循環が生じる。
【００２０】
中央部セル１７ｂで冷却水の温度が上昇することにより、冷却水の体積膨張が生じ、冷却水流路１１ｂ内を略上方に向かって流れる。この温度上昇した冷却水は、排出マニホールド１３に沿って流れてバイパス流路１４ａ、１４ｂに供給される。このとき、排出マニホールド１３から冷却水流路１１ａに一部の冷却水が流れ込むこともあるが、冷却水流路１１ａに比べてバイパス流路１４での圧力損失が小さいため、冷却水はバイパス流路１４に優先して流れる。冷却水は、バイパス流路１４内を重力により下に向かって流れる。このとき冷却水は周囲に熱を供給し、端部セル１７ａの温度を上昇させる。バイパス流路１４を流れる際に温度低下した冷却水は、供給マニホールド１２に沿って流れ、再び中央部に循環する。このとき、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂを、冷却水流路１１ａに比べて流路断面積が大きく、また圧力損失が小さくなるように形成したため、冷却水は優先的に冷却水流路１１ｂを流れる。このように、冷却水は中央部セル１７ｂとバイパス流路１４の間を循環する。
【００２１】
このとき、スタック１の自己発熱による中央部セル１７ｂの温度上昇に比較して、端部セル１７ａの温度上昇は小さくなるので、積層方向に温度差が生じる。この温度差を抑制するように働く伝熱作用によって、冷却水内を熱が中央部から端部に向かって移動する。特に、熱は上方に向かって流れる性質があることから、中央部セル１７ｂ内を熱が上方に向かって流れる。このように、冷却水の循環方向と同方向に熱の伝達が行われるので、伝熱作用を向上することができる。
【００２２】
これにより、中央部近傍から両端部に向かって熱および冷却水が循環する。その結果、スタック１の中央近傍の熱を端部に効率的に移動させることができ、積層方向の温度分布を抑制することができる。このように、スタック１の温度を均一化しながら暖機運転を行うことで、スタック１の暖機時間を短縮することができる。スタック１の温度が通常運転可能な程度に上昇したら、バルブ３、４を開き、スタック１の外部に備えた図示しないポンプを駆動させることにより、外部の冷却システムを含めた冷却水の循環を開始する。
【００２３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２４】
冷却水流路１１を有した単位セル１７を積層してなるスタック１を備えた燃料電池システムにおいて、冷却水流路１１に冷却水を分配する供給マニホールド１２と、冷却水流路１１から冷却水を回収する排出マニホールド１３を備える。また、供給マニホールド１２への供給または、排出マニホールド１３からの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断するバルブ３、４を備える。さらに、単位セル１７のうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した端部セル１７ａのさらに積層方向外側に構成した、供給マニホールド１２と排出マニホールド１３とを連通するバイパス流路１４を備える。バルブ３、４により、スタック１内への冷却水の流入または流出が遮断可能なので、スタック１内で発生した熱がスタック１外に持ち出され難く、スタック１自身の発熱量を有効に活用して暖機することができる。このとき、スタック１内で冷却水の循環及び伝熱が生じるために、スタック１の温度を均一化することができ、暖機時間を短縮することができる。また、積層方向端部の端部セル１７ａのさらに積層方向外側にバイパス流路１４を備え、冷却水がこのバイパス流路１４を流通することで、暖機時に冷却水流路１１ａ内を流れる冷却水に外気が与える影響を抑制することができる。
【００２５】
また、単位セル１７のうち積層方向中央近辺に配置した中央部セル１７ｂ内の冷却水流路１１ｂを、積層方向端部近辺に配置した端部セル１７ａ内の冷却水流路１１ａに比較して、流路断面積が大きくなるように構成した。これにより、冷却水流路１１ｂを流れる冷却水の流速が小さくなるので、流路抵抗を小さくして冷却水流量を多くすることができる。つまり、暖機時に、冷却水流路１１ｂに優先的に冷却水を循環させることができる。
【００２６】
さらに、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂを、端部セル１７ａの冷却水流路１１ａに比較して、流路長が短くなるように構成する。これにより、冷却水流路１１ｂを流れる冷却水の圧力損失を小さくすることができるので、冷媒流量を多くすることができる。つまり、暖機時に、冷却水流路１１ｂに優先的に冷却水を循環させることができる。
【００２７】
また、バイパス流路１４を端部セル１７ｂの積層方向外側に配置した集電板内に構成する。これにより、流路制約の大きい単位セル１７のセル面よりも、流路設計の自由度を増すことができるので、設計の最適化を図ることができる。
【００２８】
次に、第２実施形態について説明する。スタック１の概略を、図３に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２９】
スタック１を、積層方向中央部と端部でＶ字を描くように構成する。つまり、中央部を、端部に比較して、鉛直方向下側に構成する。ここでは、端部と中央部との間を、傾斜角が一定の斜面となるように構成するが、このかぎりではない。
【００３０】
また、スタック１からの冷却水の排出を遮断するために、排出マニホールド１３の出口部分１３ａに排出バルブ４を構成する。ここでは、供給バルブ３を省略するが、第１実施形態と同様に入口部分１２ａに配置してもよい。
【００３１】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、排出バルブ４を閉じる。自己発熱により中央部セル１７ｂでは、冷却水温度が上昇する。このとき、熱は上方に伝わり易いので、排出マニホールド１３内を一番低い中央部から高い端部に向かって熱が移動する。また、冷却水の温度上昇による体積膨張が生じ、温度上昇した冷却水が上方に向かって移動する。そのため、中央セル１７ｂで暖められた冷却水は、斜め上方の端部に向かって排出マニホールド１３内を移動する。
【００３２】
このようにバイパス流路１４近傍に移動した熱は、スタック１の端部の昇温を行う。また、中央部から循環した温度の高い冷却水は、端部に熱を供給しながら、重力によりバイパス流路１４内を下に向かって流れる。
【００３３】
このように、伝熱作用により、また、端部に設けたバイパス流路１４内を温度上昇した冷却水が流れることにより、スタック１の端部が暖機される。バイパス流路１４の下方部分では、熱の移動により冷却水温度が低下しているので、冷却水の体積が収縮し、また、重力により、冷却水は供給マニホールド１２内を斜め下方の中央部に向かって流れる。
【００３４】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１実施形態の効果と異なる効果について説明する。
【００３５】
スタック１を、端部に比べて中央部が鉛直方向下側に位置するように構成する。排出マニホールド１３をＶ字形状に構成する。これにより、排出マニホールド１３内では、熱が上方に伝わり易い特性により、一番低い中央から高い端部へ移動する。このとき、伝熱作用により冷却水自身の移動がなくても端部の昇温を行うことができるが、ここでは、冷却水が循環するので、より伝熱効率を向上することができる。また、供給マニホールド１２をＶ字形状に構成する。これにより、低温での粘度の高い冷却水を移動させるために、重力の効果を積極的に利用することができる。通常の一直線のマニホールド形状に構成した場合、積層方向が水平であると重力による冷却水への影響は、冷却水自身の水頭圧で広がる程度である。これに対して、Ｖ字形状に供給マニホールド１３を用いた場合には、重力により冷却水の循環を促進することができる。
【００３６】
次に、第３実施形態について説明する。スタック１の概略構成を図４に示す。以下、第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
平板２に構成したバイパス流路１４にポンプ５を備える。ここでは、スタック１の一端に、冷却水の入口部分１２ａと出口部分１３ａの両方を設け、これらと反対側の端部に備えたバイパス流路１４ｂにポンプ５を備える。ポンプ５の設置位置は、流路の圧力損失が最も小さくなる位置とするのが好ましい。
【００３８】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、排出バルブ４を閉じる。また、ポンプ５を駆動することにより、冷却水の循環を促進させる。これにより、昇温した中央部分の冷却水を端部に積極的に循環させてスタック１全体を均一に暖機することで、スタック１の暖機時間を短縮する。
【００３９】
また、中央部セル１７ｂの近傍に加熱手段２６を配置する。加熱手段２６としては、例えば改質器や燃焼器、ヒータ等を用いる。ここでは、加熱手段２６を中央部セル１７ｂ近傍に配置する。また、下側、ここでは供給マニホールド１２側に配置する。暖機時に、加熱手段２６から冷却水に熱を供給することにより、中央近傍の冷却水温度が上昇されることにより、暖機が促進される。また、冷却水流路１１ｂの下方部分の冷却水が温められるので、さらに循環が促進されてスタック１内の温度均一化を促進することができる。特に、中央部セル１７ｂの鉛直方向下側に配置することで、冷却水流路１１ｂ内を冷却水が下から上に向かって流れる循環を促進することができる。
【００４０】
このようなスタック１の冷却水システムを制御するために、コントローラ７を備える。また、スタック１内の温度を検出する温度センサ２１を備える。ここでは、二つの温度センサを備え、温度センサ２１ｂをスタック１の中央部に、温度センサ２１ａを端部に設置する。温度センサ２１としては、温度計、熱電対等を用いる。また、車輌の外気温度を検出する外気温度センサ２２を備える。さらに、車輌の速度を検出する車速センサ２３を備える。これらの検出手段の検出結果はコントローラ７に入力され、冷却システムの制御に用いられる。
【００４１】
次に、本実施形態の制御方法について説明する。まず、停止時の冷却水の制御方法を図５に示したフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
通常運転時には、スタック１への冷却水の圧力、流量、温度を、図示しない外部のポンプや圧力調整弁、流量調整弁、熱交換器といった外部冷却システムにより制御する。そのため、冷却水のスタック１への入口部分１２ａ、スタック１からの出口部１３ａは開となる。つまり、排出バルブ４は開となっている。また、スタック１内の温度を均一化するためのポンプ５は作動していない。このように、停止時の初期には、排出バルブ４が開、ポンプ５が停止した状態とする。イグニッションがＯＦＦとなり、停止指令を検知したら本フローを開始する。
【００４３】
ステップＳ１において、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いてスタック１の温度を検出する。ステップＳ２において、停止時に、スタック１が低温環境下に晒されるか否かを判断する。ここでは、スタック温度が所定温度以下であるか否かを判断する。ここで所定温度は、スタック１が低温環境下に晒される可能性があるか否かの判断値である。例えば、端部に備えた温度センサ２１ａを用いてスタック１端部の所定時間の温度変化を検出する。外気温度の影響を受け易い端部の温度低下の勾配より、スタック１が低温環境下に晒されているか否かを推定する。スタック１の温度低下率が所定より大きい場合には、外気温度が低く、スタック１が低温環境下に晒される可能性が高いと判断する。ここで所定の温度低下率は、実験等により予め求めた、スタック１の暖機が必要となるような低温環境下での温度低下率のことである。なお、ここでは放熱により温度低下しやすい端部の時系列変化により判断するが、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いて、スタック１の中央部に対して端部の温度がどれだけ低下したかを検出することにより判断することもできる。または、ステップＳ１において、外気温度センサ２２を用いて外部温度を検出し、スタック１が低温環境下に晒されるかどうか判断してもよい。
【００４４】
スタック１が低温環境下に晒される可能性があると判断された場合には、ステップＳ３において排出バルブ４を閉じる。これにより、外部の冷却システムへの冷却水の排出を遮断する。低温環境下では、バルブの凍結等が生じる可能性がある。そこで、予め車輌停止時に、再始動時の暖機運転が予測される場合には、冷却水をスタック１内で循環させる暖機制御に備えて排出バルブ４を閉じておくことで、排出バルブ４の凍結により暖機制御が妨げられるのを避けることができる。
【００４５】
ステップＳ４において、スタック１内の温度分布の判定を行う。ステップＳ１で検出した中央部と端部の温度の差を算出し、これが所定値より大きいかどうかを判断する。所定値より大きい場合には、ステップＳ５に進み、ポンプ５を作動させて冷却水をスタック１内で循環させてスタック１の温度の均一化を図る。
【００４６】
ステップＳ４、Ｓ５を繰り返し、スタック１の中央部と端部との温度差が所定値以下となったら、ステップＳ６に進み、ポンプ５を停止して停止動作を終了する。このとき、排出バルブ４は閉じた状態となっている。
【００４７】
一方、ステップＳ２において、スタック１が低温環境下には晒されないと予測される場合には、ステップＳ７に進み、ステップＳ４と同様にスタック１内の温度分布を判定する。中央部と端部の温度差が所定値より大きい場合いはステップＳ８に進む。ステップＳ８において、排出バルブ４を閉じてポンプ５を作動させることにより、スタック１内に冷却水を循環させる。このように、低温環境下に晒されないと予測される場合にも、スタック１内の温度分布が大きいと判断された場合には、温度の均一化を図るためにポンプ５を作動させる。このとき、スタック１の温度が全体的に高い場合などには、排出バルブ４を開いて図示しない外部に配置したポンプを駆動することにより、外部の冷却システムから冷却水を循環させて、スタック１の温度低下を図ってもよい。ステップＳ７、Ｓ８を繰り返してスタック１の温度差が所定値内となったら、ステップＳ９に進み、排出バルブ４を開き、ポンプ５を停止して、停止動作を終了する。
【００４８】
このように、停止時に一時的にポンプ５を作動させる。これにより、スタック１の運転を停止した際に、比較的温度が高く放熱性の悪い中央部の冷却を促進するとともに、スタック１内の温度の均一化を図ることができる。その結果、熱ひずみ等の影響を抑制することができ、スタック１の破損を抑制することができる。
【００４９】
次に、起動時の冷却水の制御方法を図６のフローチャートを用いて説明する。車輌のドアの開錠、または、イグニッションがＯＮとなったのを検知したら、本フローを開始する。
【００５０】
ステップＳ１１において、スタック１の温度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いてスタック１の中央部の温度を検出する。
【００５１】
次に、ステップＳ１２において、排出バルブ４の開閉判定を行う。つまり、冷却水を用いた暖機を行うかどうかを判断する。ここで、停止時にも暖機運転を行うかどうかの予測を行ったが（Ｓ２）、起動時にも行うことで、制御の確実性を増すことができる。ステップＳ１１で検出したスタック１の温度が暖機を必要とする温度範囲であるか否かを判断する。なお、暖機が必要であるか否かの判断は、温度センサ２１ａの出力や、温度センサ２１ａ、２１ｂの平均出力を用いて行うこともできる。または、車輌が長期間停止していた場合には、スタック１の温度は外気温度をほぼ等しいと推定される。よって、スタック１内に冷却水を循環させる暖機制御を行うか否かを、外気温度センサ２２の出力により判断してもよい。
【００５２】
ステップＳ１２において冷却水を用いた暖機が必要であると判断されたら、ステップＳ１３において、排出バルブ４を閉じてスタック１内の冷却水経路１０を閉流路とする。次にステップＳ１４に進み、後述するような冷却水経路１０の短絡制御を行うことにより、冷却水を用いたスタック１の暖機運転を行う。一方、ステップＳ１２において、冷却水を用いた暖機は必要ないと判断された場合には、外部の冷却システムによりスタック１内の温度制御を行う。そこで、ステップＳ１５に進み、排出バルブ４を開とすることにより、外部からの冷却水の供給を行える状態にしたら、起動制御を終了する。起動制御終了後には、外部の冷却システムを制御して通常の冷却水循環を行う。
【００５３】
次に、ステップＳ１４における冷却水経路１０の短絡制御について、図７のフローチャートを用いて説明する。ここでは、スタック１内に冷却水を循環させることにより、スタック１を均一に暖機する。
【００５４】
ステップＳ２１において、ポンプ５を起動する。ステップＳ２２において、スタック１の中央部の温度を温度センサ２１ｂにより検出する。ここでは、中央部の温度を所定時間検知することにより、温度上昇率を検出する。ステップＳ２３において、スタック１の中央部の温度上昇率が十分か否かを判断する。十分な温度上昇が生じていない場合には、ステップＳ２４に進み、ポンプ５の流量を抑制する。なお、ポンプ５の流量が最小の場合には現状を維持する。これにより、スタック１の冷却効率が抑制されるので、スタック１の昇温が促進される。
【００５５】
このようにステップＳ２２〜２４を繰り返して、ステップＳ２３においてスタック１の暖機を行うのに十分な温度上昇が生じていると判断されたら、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、ポンプ５により循環する冷却水流量を増大する。ステップＳ２６において、ポンプ流量が所定量α以上であるか否かを判断する。ポンプ流量が所定量αに満たなかったら、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２２〜Ｓ２６を繰り返す。つまり、ステップＳ２２〜Ｓ２６では、スタック１の暖機を維持しつつ、ポンプ流量を所定量αまで増量する制御を行う。このように、スタック１の温度に応じてポンプ５の流量を調整することで、スタック１の暖機を維持しつつ、スタック１内の冷却水の循環を確保している。
【００５６】
ステップＳ２６において、ポンプ流量がα以上であると判断されたら、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、スタック１の温度差を検出する。ここでは、温度差として、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いてスタック１の端部と中央部の温度差を検出する。つまり、スタック１内部の温度分布検出する。ステップＳ２８において、この温度差が所定値以下であるかどうかを判断する。ここで、所定値は、例えば端部と中央部で暖機終了時間に所定以上の時間差が生じる可能性がある温度差であり、予め実験等により設定しておく。
【００５７】
ステップＳ２８において、温度差が所定値より大きいと判断された場合には、スタック１内の温度均一化が必要であると判断する。スタック１内の冷却水循環量を維持してスタック１の温度の均一化を進めるため、排出バルブ４の開度を維持したままステップＳ３０に進む。一方、ステップＳ２８において、温度差が所定値以下と判断された場合には、スタック１は略均一に暖機されていると判断してステップＳ２９に進み、排出バルブ４の開度を大きくする。例えば、開度を所定値＋Ａ％だけ調整する。これにより、スタック１の外部を含む冷却水システムを循環する冷却水流量を増大することができる。つまり、ステップＳ２８、Ｓ２９においては、スタック１内の温度分布が大きい場合にはスタック１内の循環を維持して温度の均一化を促進し、温度分布が小さい場合には外部システムを循環する冷却水流量を増大することで、外部システムの暖機を促進する。ここでは、温度差の最も大きいと推定される中央部と端部の温度差に応じて排出バルブ４の開度を調整するので、暖機の最適化を行うことができる。
【００５８】
ステップＳ２８、Ｓ２９において排出バルブ４の開度を設定したら、ステップＳ３０において、スタック１の温度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いて中央部セル１７ｂの温度を検出する。次にステップＳ３１において、スタック１の温度が、負荷に対する所定温度範囲内であるか否かを判断する。ここで、暖機時には、スタック１の温度が過剰に高くなる可能性は低く、スタック１の温度が所定温度範囲内にないと判断された場合には、スタック１が所定温度範囲以下になっていると予測される。この場合には、スタック１の出力が低下する可能性があるので、これを防ぐために、外部を含めて循環する冷却水流量を抑制することによりスタック１の温度を回復する。つまり、ステップＳ３２において、排出バルブ４を閉方向に調整する。例えば、開度を所定値―Ｂ％だけ調整してから、ステップＳ２７に戻る。
【００５９】
一方、ステップＳ３１においてスタック１が所定温度範囲であれば、ステップＳ３３に進み、排出バルブ４の開度が全開であるか否かを判断する。ここで、排出バルブ４の開度が全開ではない場合には、ステップＳ２７に戻り、排出バルブ４が全開となるまで本制御を繰り返す。排出バルブ４の開度が全開である場合には、外部の冷却システムも含めて所定流量の冷却水を循環させる通常運転を行うことが可能であるので、ステップＳ３４において、ポンプ５を停止してから冷却水を用いた暖機を終了し、通常の冷却水制御に移行する。
【００６０】
このように、ステップＳ２８、Ｓ２９、Ｓ３２において、スタック１の温度に応じて排出バルブ４の開度を制御することで、暖機の最適化を図ることができる。
【００６１】
次に、車輌運転中におけるスタック１の温度分布を均一化するための運転時制御を図８に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、例えば一定時間毎に繰り返す。または、温度センサ２１ａ、２１ｂによりスタック１の温度差を検出し、スタック１内の温度差が所定値より大きくなった場合に行う。
【００６２】
ステップＳ４１において、スタック１の温度と車輌の走行速度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いてスタック１の中央部の温度を、車速センサ２３を用いて車速を検出する。ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度より高いか否かを判断する。ここで、所定温度を、負荷に対するスタック１の最適温度または最適温度範囲とする。
【００６３】
ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度より高い場合には、本制御を終了して通常の冷却循環を行う。ここで、排出バルブ４が全開でない場合があるときには、排出バルブ４を全開にしてから通常の冷却水制御に移行する。
【００６４】
一方、ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度以下の場合には、スタック１の温度を均一化するための冷却水経路１０の短絡制御を行うことができるかどうかを判断する。なお、ここで、スタック１が所定温度以下の場合のみに冷却水経路１０の短絡を行うか否かを判断するのは、冷却水経路１０の短絡時には、外部から供給される冷却水流量が抑制されてスタック１の冷却性能が低下するためである。
【００６５】
ステップＳ４４において、車速が十分に大きいかどうかを判断する。例えば、所定値を１０ｋｍ／ｈｒ等に設定し、これより大きい場合に車速が十分に大きいと判断する。車速が十分に大きい場合には、ステップＳ４５に進む。ステップＳ４５において、車速の変化方向が減速方向であるかどうかを判断する。つまり、ステップＳ４４、Ｓ４５において、車速が大きく、また減速方向に変化していると判断された場合には、スタック１に対する負荷の減少が予測されるため、スタック１からの発熱量の減少が予測される。そのため、スタック１の冷却性能が低下してもスタック１の温度を適温に維持できると予測される。そこで、ステップＳ４６に進み、排出バルブ４を閉じることにより外部からの冷却水循環を遮断してから、ステップＳ４７において、スタック１の温度均一化を行う冷却水経路１０の短絡制御（図７）を行う。ただし、このときには図７に示したフローのステップＳ２１、Ｓ２７〜３４のみを実行する。さらに、ステップＳ３１において、スタック１が所定温度範囲内であるかどうかを判断する場合には、スタック温度が所定温度範囲より高いか否かを判断する。所定温度範囲より高いと判断された場合には、ステップＳ３２ではなく、ステップＳ３４に進んでポンプ５を停止してから冷却水経路１０の短絡制御を終了する。なお、このとき排出バルブ４が全開ではない場合には、排出バルブ４を全開にしてから終了する。スタック１の温度が所定温度以下の場合には、ステップＳ３３に進む。これにより、過剰な温度上昇によりスタック１が劣化するのを防ぐことができる。
【００６６】
また、ステップＳ４６において排出バルブ４を完全に閉じるのではなく、所定量だけ閉じてもよい。これにより、冷却性能の低下を抑制することができる。
【００６７】
一方、ステップＳ４４において、車速が十分に大きいと判断された場合でも、ステップＳ４５において車速の変化方向が加速方向であれば、スタック１における発熱が増大するので本制御を終了して通常の冷却水循環を行う。
【００６８】
また、ステップＳ４４において、車速が十分に大きいと判断されなかった場合には、ステップＳ４９に進み、車速変化が所定の範囲以内であるかどうかを判断する。車速変化が所定の範囲以内になかったら、ステップＳ５２に進み、低車速状態の継続時間を示すカウントをリセットしてから、ステップＳ４４に戻る。ステップＳ４９において、車速変化が所定の範囲以内であったら、ステップＳ５０に進み、低車速状態の継続時間を示すカウントを加算する。ステップＳ５１において、このカウント数が、所定値より大きいかどうかを判断する。例えばカウント数が５分を示す値の場合を所定値とする。
【００６９】
ここで、ステップＳ４９〜Ｓ５１においては、低車速状態が過渡的なものか継続的なものかを判断している。例えば、車速が１０ｋｍ／ｈｒの状態が５分以上続いた場合に低車速状態が継続していると判断する。これは、渋滞中などの車輌状態を示している。このような場合には、スタック１の負荷が急激に増加する可能性が低いので、冷却水経路１０の短絡制御を行うことができる。よって、ステップＳ４６に進み排出バルブ４を閉じてから、ステップＳ４７において冷却水経路１０の短絡制御（図７）を開始する。
【００７０】
このように、運転中には、スタック１の負荷の低減が予測される場合に冷却水経路１０の短絡制御を行うことで、必要な冷却性能を維持しつつ、スタック１の温度差を低減することができる。
【００７１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７２】
供給マニホールド１２と、排出マニホールド１３と、バイパス流路１４とを含んで形成される循環流路に、冷却水を循環させるポンプ５を備える。ポンプ５を用いて冷却水を循環させることで、温度上昇が比較的速い中央部から端部に冷却水を循環することができ、スタック１の温度を均一化することができる。
【００７３】
スタック１の温度を検出する温度センサ２１を備え、遮断手段として、流路断面を可変とする排出バルブ４を備える。なお、供給バルブ３を備えても良い。スタック１の温度に基づいて、排出バルブ４の開度を制御する。これにより、スタック１内の温度上昇を維持しつつ、外部の冷却システムに冷却水を循環させることができるので、燃料電池システムを効率良く暖機することができる。また、スタック１の温度が過度に上昇するのを防ぐため、高温による劣化を避けることができる。
【００７４】
また、スタック１の温度に基づいて、ポンプ５により循環させる冷却水流量を制御することにより、スタック１の温度上昇を維持しつつ、冷却水流量を確保することができるので、スタック１の暖機と温度均一化を同時に行うことができる。
【００７５】
さらに、温度センサ２１ｂにより、スタック１の積層方向中央近辺の温度を検出する。このように、温度の上昇し易い中央部の温度に応じて排出バルブ４やポンプ５を制御することで、暖機の最適化を行うことができる。
【００７６】
または、温度センサ２１ａ、２１ｂにより、スタック１の積層方向中央近辺と、積層方向端部近辺の温度差を検出する。このように、スタック１の積層方向中央近辺と、積層方向端部近辺の温度差に応じて、排出バルブ４やポンプ５を制御することで、スタック１内の温度分布を考慮して暖機を行うので、偏りなく、早期に暖機を行うことができる。ここでは、温度差が最も大きいと推定される端部と中央部の温度を直接検出することにより、確実にスタック１の温度を均一化することができ、暖機時間を短縮することができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、車輌運転中には車速を検知することにより、スタック１の温度均一化の制御を行うことが可能な状態か否かを判断しているが、この限りではない。例えば、アクセルペダルと車速等から推定される要求負荷を検出することによりスタック１の温度均一化の制御を行うことが可能か否かを判断してもよい。このときは、高負荷から低負荷へ変更する場合、低負荷状態か継続されている場合に冷却水経路１０の短絡制御を実行する。このように、スタック１に要求される負荷に応じて判断するので、要求される冷却性能に応じて判断することができ、冷却水経路１０の短絡制御時に冷却不足となるのを抑制することができる。または、外部からの交通情報によりスタック１の温度均一化の制御を行うことが可能な状態か否かを判断することもできる。外部からの交通情報から、要求負荷を推定することができるので、応答性のよい制御を行うことができる。
【００７８】
また、車輌運転時に、車速が所定以下の状態が所定時間継続した場合、つまり、スタック１の要求負荷が比較的低く冷却要求が高くない場合には、スタック１内の冷却水のみを循環させて放熱冷却を図ることもできる。これにより、スタック１に冷却水を供給するための、外部に設けた図示しないポンプに比較して、小型のポンプ５のみを駆動するだけで冷却を行うことができるので、冷却を行うために消費されるエネルギー量を抑制することができる。
【００７９】
さらに、第１実施形態のように直線的なマニホールド１２、１３を用いたスタック１に対しても、本実施形態を適用することができる。
【００８０】
次に、第４実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図９に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８１】
マニホールド１２、１３の、セル積層方向中央部にポンプ５を備える。ここでは、鉛直方向上側に配置したマニホールド、つまり排出マニホールド１３の中央部分にポンプ５を備える。ポンプ５は、鉛直方向下方から積層方向両端方向に向かって冷却水を循環させる。つまり、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂで昇温した冷却水を、ポンプ５によって積極的に積層方向端部に送る。これにより、スタック１の温度を均一化することができる。また、冷却水を中央部から両端部に対称的に循環させるので、両端部の温度を均一化することができる。
【００８２】
本実施形態における冷却システムの制御は、第３実施形態と同様とする。ただし、供給バルブ３は、排出バルブ４の開度の制御と同様に制御する。なお、第２、３実施形態と同様に、排出バルブ４のみを備えても良い。また、供給バルブ３のみを備えても良い。また、第３実施形態同様に、マニホールド１２、１３をＶ字形状に構成しても良い。
【００８３】
次に、第５実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１０に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８４】
平板２に構成したバイパス流路１４にポンプ５を備える。ここでは、スタック１の一端に冷却水の入口部分１２ａと出口部分１３ａを設け、これらと同じ側の端部に備えたバイパス流路１４ａに第１ポンプ５ａを、反対側の端部に備えたバイパス流路１４ｂに第２ポンプ５ｂを備える。第２ポンプ５ｂとしては、逆転可能なポンプを用いる。第１ポンプ５ａおよび第２ポンプ５ｂ（以下、ポンプ５ａ、５ｂ）の設置位置は、流路の圧力損失が最も小さくなる位置とするのが好ましい。
【００８５】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、バルブ３、４を閉じ、ポンプ５ａ、５ｂを駆動することにより、スタック１内に冷却水を循環させる。これにより、昇温した中央部分の冷却水を端部に積極的に循環させることができるので、スタック１全体を均一に暖機することができ、暖機時間を短縮することができる。
【００８６】
また、スタック１の内部温度検出手段として、温度センサ２１ａ、２１ｂの替わりに、スタック１内全体の温度分布を検出する温度センサ２１ｃを備える。例えば、スタック１内に積層方向に複数の温度センサを備え、これらの検出結果からスタック１内の温度分布を検出するようにしてもよい。
【００８７】
次に、本実施形態の制御について説明する。停止時および通常時の制御は、第３実施形態に示したフローに従って行う。なお、供給バルブ３の開度を、排出バルブ４の開度と同様に制御する。また、ポンプ５ａ、５ｂの駆動はポンプ５の駆動と同様に制御する。このときの第２ポンプ５ｂは正転運転を行う。ここで、ポンプ５ａ、５ｂは、それぞれバイパス流路１４ａ、１４ｂ内を、排出マニホールド１３から供給マニホールド１２に向かって冷却水を送る運転を正転運転とする。つまり、冷却水を鉛直下方に向かって流す回転を正方向の回転とする。停止時および通常運転時の制御では、ポンプ５ａ、５ｂを正転運転により駆動する。
【００８８】
一方、起動時には、第３実施形態と同様に、図６のフローを実行する。このとき、ステップＳ１４における冷却水経路１０の短絡制御を、図１１に示すようなフローに従って行う。
【００８９】
ステップＳ６１において、ポンプ５ａ、５ｂを起動する。第１ポンプ５ａを正転運転、第２ポンプ５ｂを逆転運転とする。第１ポンプ５ａを正転運転、第２ポンプ５ｂを逆転運転とすることで、冷却水は排出マニホールド１３→バイパス流路１４ａ→供給マニホールド１２→バイパス流路１４ｂの順に循環する。低温環境下での起動時には、起動直後には冷却水の粘性も高く循環し難いため、冷却水流路１１に比較して流路抵抗の小さなマニホールド１２、１３およびバイパス流路１４に冷却水を循環させる。
【００９０】
次に、ステップＳ６２〜Ｓ６６においては、ステップＳ２２〜２６と同様に、スタック１の暖機状態を維持しつつ、ポンプ５の流量をαまで増大させる。ステップＳ６６において、ポンプ流量がα以上であると判断されたら、ステップＳ６７に進む。ステップＳ６７では、第２ポンプ５ｂを正転運転に切り替える。なお、このとき第１ポンプ５ａと第２ポンプ５ｂの負荷は同じとする。これにより、排出マニホールド１３の中央部で、各ポンプ５ａ、５ｂから流れ出した冷却水が衝突して圧力が高くなる。また、中央部は、端部を含めるその他の部分より高温となっているので、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂ内の冷却水粘性抵抗は、その他の冷却水流路１１ａの冷却水粘性抵抗より小さくなっている。さらに冷却水流路１１ｂの流路抵抗は、冷却水流路１１ａの流路抵抗より小さい。これにより中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂに冷却水が流れる。その結果、中央部セル１７ｂを通って両端に向かう、冷却水の二つの循環ループが形成される。
【００９１】
次に、ステップＳ６８に進み、熱を取り出す部分（以下、熱源）の温度変化を検出する。温度センサ２１ｃにより熱源の温度を検出する。ここで、熱源は、冷却水流路１１を流れる際に冷却水温度が上昇する部分である。言い換えれば、ポンプ５ａ、５ｂにより送り出された冷却水が衝突して流れ込む冷却水流路１１を備えた単位セル１７のことである。なお、後述するステップＳ７０における熱源移動を行っていない場合には、熱源は中央部となる。
【００９２】
ステップＳ６９において、熱源の温度低下の程度を判断する。例えば、熱源の所定時間の温度低下量を検出する。この温度低下量が所定より大きい場合には、ステップＳ７０に進み、熱源移動を行う。
【００９３】
ここで、スタック１の運転中に特定の部分、例えば中央部のみを熱源とした場合、中央部で温度低下を招いて出力が低下する可能性がある。そこで、温度低下量が許容範囲より大きくなった場合には、熱を取り出す位置をずらすことにより、特定の部分の温度が過剰に低下するのを避ける。
【００９４】
ステップＳ７０では、ポンプ５ａ、５ｂの出力の変更を行う。第１ポンプ５ａの出力と、第２ポンプ５ｂの出力の大きさを変えることで、熱源位置を移動させる。ここでは、スタック１内の温度分布を検出する温度センサ２１ｃにより、スタック１内で温度の高い箇所を検出し、その位置が熱源となるようにポンプ５ａ、５ｂを制御する。このように熱源を移動したら、ステップＳ７１に進む。一方、ステップＳ６９において、熱源の温度低下率が許容範囲内である場合には、ステップＳ７０の熱源移動の動作を省略し、ステップＳ７１に進む。
【００９５】
ステップＳ７１〜Ｓ７８では、第３実施形態における図７のフローのステップＳ２７〜Ｓ３４と同様の制御を行う。なお、ステップＳ７６でバルブ３、４の開度を調整した後。また、ステップＳ７７でバルブ３、４が全開ではないと判断された場合には、ステップＳ６８に戻り、熱源移動の制御を行う。また、ステップＳ７１で検出する端部と中央部の温度差は、温度センサ２１ｃにより検出することができる。このとき、温度差をスタック１の最高温度と最低温度との差としてもよい。
【００９６】
なお、ここではステップＳ６９において、熱源移動を行うか否かは、スタック１の熱源温度の時系列変化に従って判断している。これに対して、スタック１の温度分布の変化に応じて行っても良い。この場合には、温度センサ２１ｃを用いて、熱源と端部との温度差を求める。この温度差の時系列変化を検出することで、所定時間内に熱源から端部に移動した熱量を算出することができる。この熱量が過剰に大きい場合には熱源温度が過度に低下する恐れがあると判断して、熱源の移動を行うためにステップＳ７０に進む。移動した熱量が許容範囲内の場合には、熱源移動を行わずに、ステップＳ７１に進む。なお、この移動する熱量の許容範囲は、熱移動と暖機速度とのバランスであり、例えば熱移動量が熱源部の発熱量以上とならない範囲とする。
【００９７】
なお、通常時の冷却水経路１０の短絡制御は、図７に示したフローに従って行う。または、図１１に示したフローのステップＳ６７〜Ｓ７８に従っても良い。ただし、ステップＳ７５においては、スタック１の温度が所定温度範囲より高いか否かを判断する。高いと判断された場合にはステップＳ７８に進み、ポンプ５を停止し、バルブ３、４が全開でなければ全開にしてから通常の冷却水制御を行う。スタック１の温度が所定温度以下の場合には、ステップＳ７７に進む。
【００９８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００９９】
バイパス流路１４ａ、１４ｂを、端部セル１７ｂのさらに積層方向外側にそれぞれ配置し、バイパス流路１４ａ、１４ｂそれぞれに、ポンプ５ａ、５ｂを備える。これにより、ポンプ５ａ、５ｂの駆動によるポンプ自身の発熱により、温度の上昇しにくい端部の暖機を促進することができる。また、ポンプ５ａ、５ｂにより、冷却水を中央部から両方の端部に向かって循環させることができるので、両端部の暖機を同様に行うことができ、暖機時間を短縮することができる。
【０１００】
また、ポンプ５のうち少なくとも一方、ここでは第２ポンプ５ｂに、冷却水の循環方向を正逆転できるポンプを用いる。これにより、冷却水温度が低い時点では、流路面積の大きいマニホールド１２、１３及びバイパス流路１４を流れる一つの循環ループを構成することができる。その結果、粘性の高い状態でも、ポンプ５の負荷を大きくすることなく冷却水流量を維持できる。また、スタック１の温度分布を抑制しながら暖機する場合には、積層方向中央部で冷却水がぶつかる二つの循環ループを形成するようにポンプ５ａ、５ｂを制御することができ、スタック１全体を均一に暖機することができる。
【０１０１】
スタック１の温度を検出する温度センサ２１を備え、スタック１の温度に基づいて、ポンプ５により循環させる冷却水流量を制御する。ここでは、スタック１の温度に応じて熱源移動を行う。例えば、スタック１内の温度が高い部分を熱源とするように、ポンプ５ａ、５ｂを制御する。これにより、さらにスタック１全体の温度を均一化すると共に、部分的に反応に適した温度範囲から外れるのを防ぐことができるので、高出力を維持することができる。ここでは、温度センサ２１ｃにより、スタック１の熱源の温度変化を検出することにより、熱源移動を行うか否かを判断する。これにより、熱源温度が過剰に低下するのを防ぐことができる。また、温度センサ２１ｃにより、スタック１の熱源と、積層方向端部近辺の温度差を検出することにより、熱源移動を行うか否かを判断してもよい。熱源から端部へ移動した熱量が過剰に大きい場合には、熱源を移動することにより、熱源温度の過度の低下を防ぐことができる。
【０１０２】
なお、図１１においては、スタック１の温度に応じてポンプ５を制御することにより温度に応じて熱源を設定してから（Ｓ６８〜７０）、スタック１の温度に応じてバルブ３、４を制御することにより温度の均一化を維持しつつ、外部を循環する冷却水流量を調整している（Ｓ６１〜Ｓ６３、Ｓ６６）。つまり、ポンプ５ａ、５ｂの制御とバルブ３、４の制御の直列制御を行っている。これに対して、コントローラ７を複数のコントローラから構成する場合等には、図１２に示すような並列制御が可能となる。つまり、ステップＳ６８〜Ｓ７０における熱源移動を行うためのポンプ５ａ、５ｂの制御と、ステップＳ７１〜Ｓ７３におけるバルブ３、４の開度制御を並列して行う。ステップＳ６７において、ポンプ５ａ、５ｂを正転運転に設定したら、ポンプ５ａ、５ｂおよびバルブ３、４の調整を平行して行い、ステップＳ７４でスタック１の温度の検討を行う。これにより、図１１と同様の制御を短時間で行うことができる。
【０１０３】
次に、第６実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１３に示す。以下、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１０４】
バイパス流路１４を迂回するバイパス流路１５を備える。ここでは、バイパス流路１４ｂを迂回するバイパス流路１５を備える。バイパス流路１５は、マニホールド１２、１３の端部を連結する流路である。平板２のさらに積層方向外側に構成する。
【０１０５】
バイパス流路１５には感温弁１６を備える。感温弁１６を、熱膨張係数の高い素材、または高温時の形状を記憶する形状記憶合金を用いて形成する。これにより、高温時にはバイパス流路１５は閉となり、低温時にはバイパス流路１５は開となる。よって、感温弁１６により、通常時にはバイパス流路１５は閉となるため、冷却水は流れない。これにより、通常時に余計な冷却水流量を増大することにより燃費が悪化するのを防ぐことができる。
【０１０６】
暖機運転時には、冷却水は端部の冷却水流路１１ａに流れ難く、冷却水経路１０の平均流路断面が通常運転時より小さくなるため、スタック１内の冷却水圧力が増大する。そこで、通常時には冷却水が循環しないバイパス流路１５を設け、暖機運転時にこのバイパス流路１５に冷却水を循環させる。これにより、暖機時にスタック１内の冷却水経路１０の圧力が上昇するのを抑えることができる。
【０１０７】
このとき、バイパス流路１４内の冷却水圧力が小さくなるため、ポンプ５ａ、５ｂを高速に運転することができる。その結果、ポンプ５ａ、５ｂで生じる発熱量を増大することができ、冷却水温度をさらに上昇させて、スタック１の暖機時間を短縮することができる。また、ポンプ５ａ、５ｂを備えたバイパス流路１４に平行にバイパス流路１５を備えることで、低温時のバイパス流路１４の冷却水圧力を抑制することができる。その結果、低温で粘度が高くなりやすい冷却水の循環流量を達成するために、ポンプ５ａ、５ｂに過負荷がかかるのを防ぐことができる。
【０１０８】
なお、バイパス流路１５の構成はこのかぎりではない。例えば、図１４に示すように、平板２内に構成してもよい。図１４では、バイパス流路１４をセル面の対角線に沿って構成し、これに沿ってさらにバイパス流路１５を構成する。このように、バイパス流路１５を平板１２内に構成することで、スタック１の積層方向のサイズが大きくなるのを防ぐことができる。
【０１０９】
次に、第７実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１５に示す。以下、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１０】
ここでは、温度センサ２１ａ、２１ｂの替わりに、出力検出手段としての電圧センサ２４を備える。電圧センサ２４として、スタック１からの出力を検出する電圧センサ２４ａ、単位セル１７のセル電圧を検出する電圧センサ２４ｂを備える。ここで、電圧センサ２４ｂは、端部セル１７ａ、中央部セル１７ｂを含めた数箇所のセル電圧を検出することにより、セル電圧分布を検出するものでもいいし、隣接する複数の単位セル１７のセル電圧を検出するものでもよい。
【０１１１】
本実施形態では、スタック１自身の発電により発生する熱量に応じて、バルブ３、４およびポンプ５を制御する。ここでは、スタック１の出力に応じて、スタック１で生じる熱量を推定し、温度上昇率を推定する。
【０１１２】
まず、電圧からスタック１の熱量を算出する方法について説明する。
【０１１３】
電圧センサ２４ａにより、実際のスタック１の出力を算出する。この実際の出力を、燃料利用率、運転温度（例えば、８０℃）、運転圧力から算出される理論出力と比較する。次に、その差から冷却量を差し引いた値が発熱により消費された量となる。なお、冷却量は、スタック１内を循環する冷却流量と、冷却水の温度とから算出することができる。発熱により消費された量から発熱量を算出し、これとスタック１の熱容量を用いてスタック１の温度変化に換算する。これにより、スタック１の温度上昇率を推定することができる。
【０１１４】
また、電圧センサ２４ｂを用いて検出した単位セル１７のセル電圧から、発熱量を推定し、単位セル１７の温度上昇率を推定することができる。ただし、この場合には各単位セル１７への燃料の分配割合等を考慮して理論セル電圧を算出する必要がある。
【０１１５】
このように電圧からスタック１で生じる熱量を推定することができる。そこで、起動時の冷却システムの制御を図１６に示すフローチャートに従って行う。以下、図６に示したフローと異なる部分を説明する。
【０１１６】
ステップＳ１１、Ｓ１２においては、スタック１の温度を検知してバルブ３、４の開閉判定を行ったのに対して、本実施形態では、ステップＳ８１、Ｓ８２では、スタック１の出力を検知して排出バルブ４の開閉判定行う。ステップＳ８１で、電圧センサ２４ａを用いてスタック１の出力電圧を検出する。ステップＳ８２において、スタック１の出力電圧から、スタック１に暖機を行う必要があるか否かを判断する。低温時にスタック１に燃料を供給しても、スタック１の電圧は上がり難いため、電圧の上昇率を検出することで、暖機が必要であるか否かを判断することができる。暖機が必要であると判断された場合には、ステップＳ８３においてバルブ３、４を閉じ、ステップＳ８４において冷却水経路１０の短絡制御を行う。一方、暖機が必要ないと判断された場合には、ステップＳ８５でバルブ３、４を開としてから、本制御を終了して通常の冷却水制御を行う。
【０１１７】
次に、暖機時の冷却水経路１０の短絡制御を、図１７のフローチャートを用いて説明する。以下、図１１のフローと異なる部分を中心に説明する。
【０１１８】
ステップＳ９１においてポンプ５を起動する。ステップＳ９２において、電圧センサ２４ｂを用いて、スタック１の中央部セル１７ｂのセル電圧を検出する。これにより、中央部セル１７ｂの温度上昇率を算出する。ステップＳ９３において、この温度上昇率から、スタック１が暖機され昇温している状態を維持しているか否かを判断する。ステップＳ９４〜Ｓ９６においてステップＳ６４〜Ｓ６６と同様に、ポンプ流量をαまで増大するようにポンプ流量を制御する。
【０１１９】
つまり、ここでは、スタック１の発熱量、言い換えればスタック１の電圧に応じて、ポンプ５により送られる冷却水流量を制御する。スタック１の中央部と端部とで熱交換を行うためのポンプ５による循環により、中央部近傍の出力が低下しない場合には、さらにポンプ５による循環量を増加させることが可能である、逆に、出力低下が発生する場合には、ポンプ５により循環する冷却水流量を抑制する必要がある。
【０１２０】
次に、ステップＳ９７において、ポンプ５ａ、５ｂを正転に変更したら、ステップＳ９８において熱源のセル電圧を検出する。セル電圧の所定時間の変化を検出することにより、所定時間のセル温度変化を算出する。ステップＳ９９において、熱源の温度が過剰に低下しているか否かを判断し、過剰に低下していると判断された場合に、ステップＳ１００において熱源移動の制御を行う。例えば、セル温度が低下していると判断される場合には、熱源のセル電圧が低下する可能性があるので、ステップＳ１００において熱源移動の制御を行う。
【０１２１】
なお、ここでは中央部セル１７ｂのセル電圧が低下した際に、熱源を移動させると判断するがこの限りではない。例えば、熱源と端部セル１７ａのセル電圧を検出し、この電圧差を算出する。所定時間でこの電圧差が急激に小さくなった場合には、熱源から端部セル１７ａに急激に熱が移動して、熱源の出力が低下している可能性がある。よって、熱源と端部の電圧差の変化率に応じて、熱源を移動するか否かを判断することもできる。
【０１２２】
次に、ステップＳ１０１において、中央部セル１７ｂと端部セル１７ａのセル電圧差を検出する。ステップＳ１０２において、セル電圧差が所定より大きいか否かを判断する。セル電圧差が大きい場合には、中央部と端部に温度差が生じている可能性があるので、バルブ３、４の開度を維持する。一方、セル電圧差が所定以下の場合には、中央部と端部の温度差はないと判断して、ステップＳ１０３において、バルブ３、４の開度を大きくする（例えば、＋Ａ％）ことにより、外部の冷却システムを含めた冷却水の循環を促進する。
【０１２３】
ステップＳ１０４において、電圧センサ２４ａを用いてスタック１の出力を検出する。ステップＳ１０５においてスタック１の出力が所定範囲であるか否かを判断する。スタック１の出力が所定範囲に満たない場合には、スタック１の冷却が過剰であると判断して、ステップＳ１０６においてバルブ３、４を閉じる方向に作動させてステップＳ９８に戻る。なお、スタック１の出力低下の原因は、冷却過剰によるスタック１の温度低下のほか、冷却不足によるスタック１の温度が過剰に上昇した場合も考えられるが、暖機時の冷却水経路１０の短絡制御ではスタック１の温度が過剰になる可能性が低いためこれを無視することができる。
【０１２４】
一方、スタック１の出力が適切である場合には、ステップＳ１０７において、バルブ３、４の開度が全開であるか否かを判断する。全開ではない場合には、ステップＳ９８に戻り、本制御を繰り返す。一方、バルブ３、４が全開の場合には、通常の冷却水の流通状態となっているので、ステップＳ１０８においてポンプ５ａ、５ｂを停止してから、通常の冷却制御に移行する。
【０１２５】
なお、ここでは暖機時の冷却水経路１０の短絡制御を説明した。これに対して、運転時には、ステップＳ１０５において、スタック１の出力が所定範囲ではないと判断されたら、ステップＳ１０８に進み、ポンプ５ａ、５ｂを停止して通常の冷却制御に戻る。スタック１の出力が所定範囲の場合には、ステップＳ１０７に進み、バルブ３、４が全開か否かの判断を行う。これにより、スタック１の出力低下を抑制することができる。
【０１２６】
また、本実施形態では、電圧に応じてスタック１の温度変化を推定したが、電流値に応じて推定することもできる。スタック１に電流センサ２５を備え、温度推定手段が電流から温度を推定するためには、図１８に記載したような電流密度に対する電圧効率（実効率）がスタック１ごとに運転圧力や温度、ガスの利用率により一定の関係を示すという特性を利用する。図１８から電流を電圧に換算し、前述した電圧から温度を算出する方法で電流から温度に換算可能である。
【０１２７】
なお、本実施形態は、第３実施形態に対しても同様に適用することができる。つまり、第３実施形態において、スタック１の温度に応じてポンプ５、排出バルブ４を制御するのに対して、電圧や電流に応じた制御を行うことができる。
【０１２８】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第５実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【０１２９】
スタック１の発熱量に応じて、ポンプ５ａ、５ｂとバルブ３、４の少なくとも一方を制御する。発熱量よりスタック１の温度上昇率を推定することができるので、第１〜６実施形態と同様の制御を行うことができる。
【０１３０】
スタック１の出力電圧またはセル電圧または出力電流を検出する出力検出手段（電圧センサ２４、電流センサ２５）を備える。これにより、スタック１の出力電圧またはセル電圧または出力電流から発熱量を推定することができるので、第１〜６実施形態と同様の制御を行うことができる。
【０１３１】
スタック１の積層方向中央近辺のセル電圧に基づいて、スタック１の発熱量を推定する。上昇率が一番大きいと推定される部分の電圧に応じて冷却システムを制御するので、暖機を効率的に行うことができる。または、積層方向中央近辺のセル電圧と積層方向端部近辺のセル電圧との差に基づいて、スタック１の発熱量を推定する。これにより、電圧差が最も大きいと推定される部分の電圧差に応じてスタック１の暖機を行うので、効率的にスタック１の温度を均一化しつつ、暖機を行うことができる。
【０１３２】
なお、ここではバイパス流路１４を平板２に形成したが、この限りではない。例えば、スタック１の端部のバイパス流路１４を図示しない電極板内に構成してもよい。これにより、燃料電池端部の冷却水の流路が電極板内にあるので、流路制約の大きいセル面よりも流路設計やポンプレイアウトの自由度を増すことができ、設計の最適化を図ることができる。
【０１３３】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に用いる単位セルに形成する冷却水流路の概略図である。
【図３】第２実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図４】第３実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図５】第３実施形態におけるシステム停止時のフローチャートである。
【図６】第３実施形態におけるシステム起動時のフローチャートである。
【図７】第３実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図８】第３実施形態における車輌運転時のフローチャートである。
【図９】第４実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１０】第５実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１１】第５実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図１２】第５実施形態における冷却水経路の短絡制御の別例のフローチャートである。
【図１３】第６実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１４】第６実施形態に用いるスタックの別例の概略構成図である。
【図１５】第７実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１６】第７実施形態におけるシステム起動のフローチャートである。
【図１７】第７実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図１８】電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１ スタック
３ 供給バルブ（遮断手段、調整弁）
４ 排出バルブ（遮断手段、調整弁）
５ ポンプ
１１ 冷却水流路（冷媒流路）
１２ 供給マニホールド
１３ 排出マニホールド
１４ バイパス流路
１７ 単位セル
１７ａ 端部セル
１７ｂ 中央部セル
２１ 温度センサ
２４ 電圧センサ
２５ 電流センサ
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、低温環境下における暖機を効率的に行うことができる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極を設けた単位燃料電池セル（以下、単位セル）を、セパレータを介して水平方向に積層し、各電極に対する水素ガス、空気、冷却水の給排用に、各電極等を貫通する連通孔を備えたものが知られている。燃料電池には、さらに、最も外側に位置する単位セルの端部を構成する導電プレートの外側に、周囲を絶縁部材で囲んだ導電性の平板を設け、この平板から略垂直方向に向かって外周を絶縁した導電性材料から成る突起部を設けている。この突起部を電力取り出し用のターミナルとして使用することにより、積層方向及び高さ方向の占有スペースをできるかぎり少なくし、かつ、効率よく電力を取り出すことができる燃料電池を構成している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１００３９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような燃料電池においては、低温起動時に積層方向についての温度分布が生じるという問題があった。低温起動時には、燃料電池の積層方向中央周辺は温度が上昇し易い。これに比べて、積層方向端部の単位セルは雰囲気温度に左右されやすく、温度が上昇し難い。このため、積層方向中央部周辺の暖機が終了しても端部の暖機が終了するまで燃料電池全体の暖機が終了しないので、暖機終了までの時間が長くなるという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、暖機時の燃料電池の温度を均一化することにより暖機時間を短縮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。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
冷媒流路を有した単位セルを水平方向に複数積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記単位セルの積層方向に設けられ、前記冷媒流路に冷媒を分配する供給マニホールドと、前記単位セルを挟んで前記供給マニホールドと反対側に設けられ、前記冷媒流路から冷媒を回収する排出マニホールドを備える。また、前記供給マニホールドへの供給または、前記排出マニホールドからの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断する遮断手段を備える。さらに、前記単位セルのうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した単位セルのさらに積層方向外側に構成した平板と、前記平板の内部に設けられ、前記供給マニホールと前記排出マニホールドとを連通し、前記冷媒流路よりも圧力損失が小さいバイパス流路を備える。
【０００７】
【作用及び効果】
供給マニホールドへの供給または、排出マニホールドからの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断する遮断手段と、単位セルのうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した単位セルのさらに積層方向外側に構成した外板の内部に、供給マニホールドと排出マニホールドとを連通し、冷媒流路よりも圧力損失が小さいバイパス流路を備える。これにより、燃料電池スタック内への冷却水の流入または流出が遮断可能なので、冷却水が燃料電池スタック内を循環することにより、燃料電池スタックの温度を均一化することができる。また、積層方向端部の単位セルのさらに積層方向外側にバイパス流路を備え、冷媒がこのバイパス流路を流通することで、積層方向端部の単位セルが有する冷媒流路内を流れる冷媒に外気が与える影響を抑制することができるので、暖機時間を短縮することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１実施形態に用いる燃料電池スタック（以下、スタック１）の概略構成を図１に示す。ここでは、駆動源として車輌に搭載する燃料電池システムについて説明する。
【０００９】
スタック１を、単位セル１７を水平方向に複数積層することにより構成する。スタック１の冷却水経路１０を、単位セル１７のセル面に沿って形成した冷却水流路１１（図２、参照）、積層方向に沿って形成した供給マニホールド１２および排出マニホールド１３、供給マニホールド１２と排出マニホールド１３を連通するバイパス流路１４、とから構成する。
【００１０】
ここでは、供給マニホールド１２、排出マニホールド１３（以下、マニホールド１２、１３）は、電極を積層方向に貫通する連通孔により構成した内部マニホールドとする。セル面の鉛直方向上方に排出マニホールド１３を、下方に供給マニホールド１２を配置する。外部からスタック１に供給された冷却水は、供給マニホールド１２を通って、各単位セル１７に分配され、後述するように構成した冷却水流路１１内をセル面に沿って流れてから、排出マニホールド１３に回収され、スタック１の外部に排出される。スタック１へ供給される冷却水は、図示しないポンプや、圧力調整弁、流量調整弁、熱交換器により、圧力、流量、温度を制御可能としている。
【００１１】
ここで、セル面に構成した冷却水流路１１の構成を、図２を用いて説明する。図２（ｂ）には、中央部近傍に配置した中央部セル１７ｂのセル面に形成した冷却水流路１１ｂの構成を示す。図２（ａ）には、積層方向端部に配置した端部セル１７ａを含む、中央部セル１７ｂ以外の単位セル１７のセル面に形成した冷却水流路１１ａを示す。なお、中央部セル１７ｂおよび端部セル１７aは、それぞれ一つの単位セル１７を指すものとしてもよいが、ここでは複数の単位セル１７を指すものとする。各セル面を略四角形状に形成し、その対角線上にマニホールド１２、１３を構成する。
【００１２】
図２（ａ）に示すように、端部セル１７ａを含む中央部セル１７ｂ以外の単位セル１７のセル面には、面内を蛇行する一本の冷却水流路１１ａを形成する。これに対して、図２（ｂ）に示すように、中央部セル１７ｂには、流路断面積が冷却水流路１１ａより大きな冷却水流路１１ｂを形成する。また、冷却水流路１１ｂそれぞれの流路長を、冷却水流路１１ａより短く形成する。ここでは、冷却水流路１１ｂを３本の流路から形成する。冷却水流路１１ｂをセル面の対角線上に伸びる流路と、セル面の周囲に沿って形成された流路とから構成する。
【００１３】
このように冷却水流路１１ｂを形成することで、中央部セル１７ｂに供給された冷却水は熱交換を十分に行うことができると共に、流路を流れる際の圧力損失を低減することができる。そのため、後述するように、冷却水の温度差により生じる循環といったように循環圧力が小さい場合には、端部に比べて中央部に優先的に冷却水を流すことができる。
【００１４】
また、図１に示すように、スタック１の積層方向両端部には、平板２を設置する。ここでは、平板２を導電性の材料により構成した集電板とするが、この限りではない。例えば、エンドプレートとしてもよい。平板２内部には、それぞれマニホールド１２、１３をバイパスするバイパス流路１４ａ、１４ｂ（以下、バイパス流路１４）を構成する。ここでは、バイパス流路１４は、マニホールド１２、１３の端部を結ぶことにより、各セルの冷却水流路１１をバイパスするように構成する。また、バイパス流路１４はセル面に沿って略並行に構成する。さらに、バイパス流路１４の流路断面積は、冷却水流路１１の流路断面積より大きくなるように構成する。バイパス流路１４に冷却水が流通することにより、スタック１の端部への外部温度の影響を抑制することができる。
【００１５】
さらに、供給マニホールド１２への冷却水の入口部分１２ａには、供給バルブ３を備える。また、排出マニホールド１３の冷却水の出口部分１３ａには、排出バルブ１４を備える。供給バルブ３、排出バルブ４（以下、バルブ３、４）を閉じることで、外部システムを経ることなくスタック１内部のみを冷却水が循環する。なお、バルブ３、４は、どちらか一方だけを配置してもよい。また、供給バルブ３を、入口部分１２ａのさらに上流側に設けてもよく、冷却水の供給を遮断できればよい。同様に、排出バルブ４を、出口部分１３ａのさらに下流側に設けてもよく、冷却水の排出を遮断できればよい。
【００１６】
次に、このように構成したスタック１の低温起動時における起動制御の概略を説明する。
【００１７】
冷却水として、冷却水経路１０に不凍液を供給する。または、冷却水として水を用い、解凍手段を備えてもよい。冷却水は、スタック１に燃料の供給を開始する時点で、冷却水経路１０内を冷却水が流通可能なものを用いる。
【００１８】
ここでは、低温起動時には、スタック１の自己発熱による暖機運転を行う。スタック１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給する。このとき、スタック１が低温のため十分な発電は望めないが、一部の燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することによりスタック１で発電に伴う自己発熱が開始される。特に、スタック１の中央部セル１７ｂでは、近傍の単位セル１７も発熱しているので温度が上昇し易い。反対に端部セル１７ａでは、隣接する平板２には発熱がなく、また、外部の低温環境の影響を受け易いので、温度が上昇し難い。
【００１９】
そこで、冷却水経路１０に冷却水が満たされた状態で、バルブ３、４を閉じる。これにより、冷却水経路１０は、スタック１内で閉流路となる。中央部セル１７ｂ内の冷却水の温度は上昇し、バイパス流路１４および端部セル１７ａ内の冷却水温度は上昇し難いので、冷却水経路１０内に温度差が生じてスタック１内で冷却水の循環が生じる。
【００２０】
中央部セル１７ｂで冷却水の温度が上昇することにより、冷却水の体積膨張が生じ、冷却水流路１１ｂ内を略上方に向かって流れる。この温度上昇した冷却水は、排出マニホールド１３に沿って流れてバイパス流路１４ａ、１４ｂに供給される。このとき、排出マニホールド１３から冷却水流路１１ａに一部の冷却水が流れ込むこともあるが、冷却水流路１１ａに比べてバイパス流路１４での圧力損失が小さいため、冷却水はバイパス流路１４に優先して流れる。冷却水は、バイパス流路１４内を重力により下に向かって流れる。このとき冷却水は周囲に熱を供給し、端部セル１７ａの温度を上昇させる。バイパス流路１４を流れる際に温度低下した冷却水は、供給マニホールド１２に沿って流れ、再び中央部に循環する。このとき、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂを、冷却水流路１１ａに比べて流路断面積が大きく、また圧力損失が小さくなるように形成したため、冷却水は優先的に冷却水流路１１ｂを流れる。このように、冷却水は中央部セル１７ｂとバイパス流路１４の間を循環する。
【００２１】
このとき、スタック１の自己発熱による中央部セル１７ｂの温度上昇に比較して、端部セル１７ａの温度上昇は小さくなるので、積層方向に温度差が生じる。この温度差を抑制するように働く伝熱作用によって、冷却水内を熱が中央部から端部に向かって移動する。特に、熱は上方に向かって流れる性質があることから、中央部セル１７ｂ内を熱が上方に向かって流れる。このように、冷却水の循環方向と同方向に熱の伝達が行われるので、伝熱作用を向上することができる。
【００２２】
これにより、中央部近傍から両端部に向かって熱および冷却水が循環する。その結果、スタック１の中央近傍の熱を端部に効率的に移動させることができ、積層方向の温度分布を抑制することができる。このように、スタック１の温度を均一化しながら暖機運転を行うことで、スタック１の暖機時間を短縮することができる。スタック１の温度が通常運転可能な程度に上昇したら、バルブ３、４を開き、スタック１の外部に備えた図示しないポンプを駆動させることにより、外部の冷却システムを含めた冷却水の循環を開始する。
【００２３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２４】
冷却水流路１１を有した単位セル１７を積層してなるスタック１を備えた燃料電池システムにおいて、冷却水流路１１に冷却水を分配する供給マニホールド１２と、冷却水流路１１から冷却水を回収する排出マニホールド１３を備える。また、供給マニホールド１２への供給または、排出マニホールド１３からの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断するバルブ３、４を備える。さらに、単位セル１７のうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した端部セル１７ａのさらに積層方向外側に構成した、供給マニホールド１２と排出マニホールド１３とを連通するバイパス流路１４を備える。バルブ３、４により、スタック１内への冷却水の流入または流出が遮断可能なので、スタック１内で発生した熱がスタック１外に持ち出され難く、スタック１自身の発熱量を有効に活用して暖機することができる。このとき、スタック１内で冷却水の循環及び伝熱が生じるために、スタック１の温度を均一化することができ、暖機時間を短縮することができる。また、積層方向端部の端部セル１７ａのさらに積層方向外側にバイパス流路１４を備え、冷却水がこのバイパス流路１４を流通することで、暖機時に冷却水流路１１ａ内を流れる冷却水に外気が与える影響を抑制することができる。
【００２５】
また、単位セル１７のうち積層方向中央近辺に配置した中央部セル１７ｂ内の冷却水流路１１ｂを、積層方向端部近辺に配置した端部セル１７ａ内の冷却水流路１１ａに比較して、流路断面積が大きくなるように構成した。これにより、冷却水流路１１ｂを流れる冷却水の流速が小さくなるので、流路抵抗を小さくして冷却水流量を多くすることができる。つまり、暖機時に、冷却水流路１１ｂに優先的に冷却水を循環させることができる。
【００２６】
さらに、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂを、端部セル１７ａの冷却水流路１１ａに比較して、流路長が短くなるように構成する。これにより、冷却水流路１１ｂを流れる冷却水の圧力損失を小さくすることができるので、冷媒流量を多くすることができる。つまり、暖機時に、冷却水流路１１ｂに優先的に冷却水を循環させることができる。
【００２７】
また、バイパス流路１４を端部セル１７ｂの積層方向外側に配置した集電板内に構成する。これにより、流路制約の大きい単位セル１７のセル面よりも、流路設計の自由度を増すことができるので、設計の最適化を図ることができる。
【００２８】
次に、第２実施形態について説明する。スタック１の概略を、図３に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２９】
スタック１を、積層方向中央部と端部でＶ字を描くように構成する。つまり、中央部を、端部に比較して、鉛直方向下側に構成する。ここでは、端部と中央部との間を、傾斜角が一定の斜面となるように構成するが、このかぎりではない。
【００３０】
また、スタック１からの冷却水の排出を遮断するために、排出マニホールド１３の出口部分１３ａに排出バルブ４を構成する。ここでは、供給バルブ３を省略するが、第１実施形態と同様に入口部分１２ａに配置してもよい。
【００３１】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、排出バルブ４を閉じる。自己発熱により中央部セル１７ｂでは、冷却水温度が上昇する。このとき、熱は上方に伝わり易いので、排出マニホールド１３内を一番低い中央部から高い端部に向かって熱が移動する。また、冷却水の温度上昇による体積膨張が生じ、温度上昇した冷却水が上方に向かって移動する。そのため、中央セル１７ｂで暖められた冷却水は、斜め上方の端部に向かって排出マニホールド１３内を移動する。
【００３２】
このようにバイパス流路１４近傍に移動した熱は、スタック１の端部の昇温を行う。また、中央部から循環した温度の高い冷却水は、端部に熱を供給しながら、重力によりバイパス流路１４内を下に向かって流れる。
【００３３】
このように、伝熱作用により、また、端部に設けたバイパス流路１４内を温度上昇した冷却水が流れることにより、スタック１の端部が暖機される。バイパス流路１４の下方部分では、熱の移動により冷却水温度が低下しているので、冷却水の体積が収縮し、また、重力により、冷却水は供給マニホールド１２内を斜め下方の中央部に向かって流れる。
【００３４】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１実施形態の効果と異なる効果について説明する。
【００３５】
スタック１を、端部に比べて中央部が鉛直方向下側に位置するように構成する。排出マニホールド１３をＶ字形状に構成する。これにより、排出マニホールド１３内では、熱が上方に伝わり易い特性により、一番低い中央から高い端部へ移動する。このとき、伝熱作用により冷却水自身の移動がなくても端部の昇温を行うことができるが、ここでは、冷却水が循環するので、より伝熱効率を向上することができる。また、供給マニホールド１２をＶ字形状に構成する。これにより、低温での粘度の高い冷却水を移動させるために、重力の効果を積極的に利用することができる。通常の一直線のマニホールド形状に構成した場合、積層方向が水平であると重力による冷却水への影響は、冷却水自身の水頭圧で広がる程度である。これに対して、Ｖ字形状に供給マニホールド１３を用いた場合には、重力により冷却水の循環を促進することができる。
【００３６】
次に、第３実施形態について説明する。スタック１の概略構成を図４に示す。以下、第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
平板２に構成したバイパス流路１４にポンプ５を備える。ここでは、スタック１の一端に、冷却水の入口部分１２ａと出口部分１３ａの両方を設け、これらと反対側の端部に備えたバイパス流路１４ｂにポンプ５を備える。ポンプ５の設置位置は、流路の圧力損失が最も小さくなる位置とするのが好ましい。
【００３８】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、排出バルブ４を閉じる。また、ポンプ５を駆動することにより、冷却水の循環を促進させる。これにより、昇温した中央部分の冷却水を端部に積極的に循環させてスタック１全体を均一に暖機することで、スタック１の暖機時間を短縮する。
【００３９】
また、中央部セル１７ｂの近傍に加熱手段２６を配置する。加熱手段２６としては、例えば改質器や燃焼器、ヒータ等を用いる。ここでは、加熱手段２６を中央部セル１７ｂ近傍に配置する。また、下側、ここでは供給マニホールド１２側に配置する。暖機時に、加熱手段２６から冷却水に熱を供給することにより、中央近傍の冷却水温度が上昇されることにより、暖機が促進される。また、冷却水流路１１ｂの下方部分の冷却水が温められるので、さらに循環が促進されてスタック１内の温度均一化を促進することができる。特に、中央部セル１７ｂの鉛直方向下側に配置することで、冷却水流路１１ｂ内を冷却水が下から上に向かって流れる循環を促進することができる。
【００４０】
このようなスタック１の冷却水システムを制御するために、コントローラ７を備える。また、スタック１内の温度を検出する温度センサ２１を備える。ここでは、二つの温度センサを備え、温度センサ２１ｂをスタック１の中央部に、温度センサ２１ａを端部に設置する。温度センサ２１としては、温度計、熱電対等を用いる。また、車輌の外気温度を検出する外気温度センサ２２を備える。さらに、車輌の速度を検出する車速センサ２３を備える。これらの検出手段の検出結果はコントローラ７に入力され、冷却システムの制御に用いられる。
【００４１】
次に、本実施形態の制御方法について説明する。まず、停止時の冷却水の制御方法を図５に示したフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
通常運転時には、スタック１への冷却水の圧力、流量、温度を、図示しない外部のポンプや圧力調整弁、流量調整弁、熱交換器といった外部冷却システムにより制御する。そのため、冷却水のスタック１への入口部分１２ａ、スタック１からの出口部１３ａは開となる。つまり、排出バルブ４は開となっている。また、スタック１内の温度を均一化するためのポンプ５は作動していない。このように、停止時の初期には、排出バルブ４が開、ポンプ５が停止した状態とする。イグニッションがＯＦＦとなり、停止指令を検知したら本フローを開始する。
【００４３】
ステップＳ１において、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いてスタック１の温度を検出する。ステップＳ２において、停止時に、スタック１が低温環境下に晒されるか否かを判断する。ここでは、スタック温度が所定温度以下であるか否かを判断する。ここで所定温度は、スタック１が低温環境下に晒される可能性があるか否かの判断値である。例えば、端部に備えた温度センサ２１ａを用いてスタック１端部の所定時間の温度変化を検出する。外気温度の影響を受け易い端部の温度低下の勾配より、スタック１が低温環境下に晒されているか否かを推定する。スタック１の温度低下率が所定より大きい場合には、外気温度が低く、スタック１が低温環境下に晒される可能性が高いと判断する。ここで所定の温度低下率は、実験等により予め求めた、スタック１の暖機が必要となるような低温環境下での温度低下率のことである。なお、ここでは放熱により温度低下しやすい端部の時系列変化により判断するが、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いて、スタック１の中央部に対して端部の温度がどれだけ低下したかを検出することにより判断することもできる。または、ステップＳ１において、外気温度センサ２２を用いて外部温度を検出し、スタック１が低温環境下に晒されるかどうか判断してもよい。
【００４４】
スタック１が低温環境下に晒される可能性があると判断された場合には、ステップＳ３において排出バルブ４を閉じる。これにより、外部の冷却システムへの冷却水の排出を遮断する。低温環境下では、バルブの凍結等が生じる可能性がある。そこで、予め車輌停止時に、再始動時の暖機運転が予測される場合には、冷却水をスタック１内で循環させる暖機制御に備えて排出バルブ４を閉じておくことで、排出バルブ４の凍結により暖機制御が妨げられるのを避けることができる。
【００４５】
ステップＳ４において、スタック１内の温度分布の判定を行う。ステップＳ１で検出した中央部と端部の温度の差を算出し、これが所定値より大きいかどうかを判断する。所定値より大きい場合には、ステップＳ５に進み、ポンプ５を作動させて冷却水をスタック１内で循環させてスタック１の温度の均一化を図る。
【００４６】
ステップＳ４、Ｓ５を繰り返し、スタック１の中央部と端部との温度差が所定値以下となったら、ステップＳ６に進み、ポンプ５を停止して停止動作を終了する。このとき、排出バルブ４は閉じた状態となっている。
【００４７】
一方、ステップＳ２において、スタック１が低温環境下には晒されないと予測される場合には、ステップＳ７に進み、ステップＳ４と同様にスタック１内の温度分布を判定する。中央部と端部の温度差が所定値より大きい場合いはステップＳ８に進む。ステップＳ８において、排出バルブ４を閉じてポンプ５を作動させることにより、スタック１内に冷却水を循環させる。このように、低温環境下に晒されないと予測される場合にも、スタック１内の温度分布が大きいと判断された場合には、温度の均一化を図るためにポンプ５を作動させる。このとき、スタック１の温度が全体的に高い場合などには、排出バルブ４を開いて図示しない外部に配置したポンプを駆動することにより、外部の冷却システムから冷却水を循環させて、スタック１の温度低下を図ってもよい。ステップＳ７、Ｓ８を繰り返してスタック１の温度差が所定値内となったら、ステップＳ９に進み、排出バルブ４を開き、ポンプ５を停止して、停止動作を終了する。
【００４８】
このように、停止時に一時的にポンプ５を作動させる。これにより、スタック１の運転を停止した際に、比較的温度が高く放熱性の悪い中央部の冷却を促進するとともに、スタック１内の温度の均一化を図ることができる。その結果、熱ひずみ等の影響を抑制することができ、スタック１の破損を抑制することができる。
【００４９】
次に、起動時の冷却水の制御方法を図６のフローチャートを用いて説明する。車輌のドアの開錠、または、イグニッションがＯＮとなったのを検知したら、本フローを開始する。
【００５０】
ステップＳ１１において、スタック１の温度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いてスタック１の中央部の温度を検出する。
【００５１】
次に、ステップＳ１２において、排出バルブ４の開閉判定を行う。つまり、冷却水を用いた暖機を行うかどうかを判断する。ここで、停止時にも暖機運転を行うかどうかの予測を行ったが（Ｓ２）、起動時にも行うことで、制御の確実性を増すことができる。ステップＳ１１で検出したスタック１の温度が暖機を必要とする温度範囲であるか否かを判断する。なお、暖機が必要であるか否かの判断は、温度センサ２１ａの出力や、温度センサ２１ａ、２１ｂの平均出力を用いて行うこともできる。または、車輌が長期間停止していた場合には、スタック１の温度は外気温度をほぼ等しいと推定される。よって、スタック１内に冷却水を循環させる暖機制御を行うか否かを、外気温度センサ２２の出力により判断してもよい。
【００５２】
ステップＳ１２において冷却水を用いた暖機が必要であると判断されたら、ステップＳ１３において、排出バルブ４を閉じてスタック１内の冷却水経路１０を閉流路とする。次にステップＳ１４に進み、後述するような冷却水経路１０の短絡制御を行うことにより、冷却水を用いたスタック１の暖機運転を行う。一方、ステップＳ１２において、冷却水を用いた暖機は必要ないと判断された場合には、外部の冷却システムによりスタック１内の温度制御を行う。そこで、ステップＳ１５に進み、排出バルブ４を開とすることにより、外部からの冷却水の供給を行える状態にしたら、起動制御を終了する。起動制御終了後には、外部の冷却システムを制御して通常の冷却水循環を行う。
【００５３】
次に、ステップＳ１４における冷却水経路１０の短絡制御について、図７のフローチャートを用いて説明する。ここでは、スタック１内に冷却水を循環させることにより、スタック１を均一に暖機する。
【００５４】
ステップＳ２１において、ポンプ５を起動する。ステップＳ２２において、スタック１の中央部の温度を温度センサ２１ｂにより検出する。ここでは、中央部の温度を所定時間検知することにより、温度上昇率を検出する。ステップＳ２３において、スタック１の中央部の温度上昇率が十分か否かを判断する。十分な温度上昇が生じていない場合には、ステップＳ２４に進み、ポンプ５の流量を抑制する。なお、ポンプ５の流量が最小の場合には現状を維持する。これにより、スタック１の冷却効率が抑制されるので、スタック１の昇温が促進される。
【００５５】
このようにステップＳ２２〜２４を繰り返して、ステップＳ２３においてスタック１の暖機を行うのに十分な温度上昇が生じていると判断されたら、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、ポンプ５により循環する冷却水流量を増大する。ステップＳ２６において、ポンプ流量が所定量α以上であるか否かを判断する。ポンプ流量が所定量αに満たなかったら、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２２〜Ｓ２６を繰り返す。つまり、ステップＳ２２〜Ｓ２６では、スタック１の暖機を維持しつつ、ポンプ流量を所定量αまで増量する制御を行う。このように、スタック１の温度に応じてポンプ５の流量を調整することで、スタック１の暖機を維持しつつ、スタック１内の冷却水の循環を確保している。
【００５６】
ステップＳ２６において、ポンプ流量がα以上であると判断されたら、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、スタック１の温度差を検出する。ここでは、温度差として、温度センサ２１ａ、２１ｂを用いてスタック１の端部と中央部の温度差を検出する。つまり、スタック１内部の温度分布検出する。ステップＳ２８において、この温度差が所定値以下であるかどうかを判断する。ここで、所定値は、例えば端部と中央部で暖機終了時間に所定以上の時間差が生じる可能性がある温度差であり、予め実験等により設定しておく。
【００５７】
ステップＳ２８において、温度差が所定値より大きいと判断された場合には、スタック１内の温度均一化が必要であると判断する。スタック１内の冷却水循環量を維持してスタック１の温度の均一化を進めるため、排出バルブ４の開度を維持したままステップＳ３０に進む。一方、ステップＳ２８において、温度差が所定値以下と判断された場合には、スタック１は略均一に暖機されていると判断してステップＳ２９に進み、排出バルブ４の開度を大きくする。例えば、開度を所定値＋Ａ％だけ調整する。これにより、スタック１の外部を含む冷却水システムを循環する冷却水流量を増大することができる。つまり、ステップＳ２８、Ｓ２９においては、スタック１内の温度分布が大きい場合にはスタック１内の循環を維持して温度の均一化を促進し、温度分布が小さい場合には外部システムを循環する冷却水流量を増大することで、外部システムの暖機を促進する。ここでは、温度差の最も大きいと推定される中央部と端部の温度差に応じて排出バルブ４の開度を調整するので、暖機の最適化を行うことができる。
【００５８】
ステップＳ２８、Ｓ２９において排出バルブ４の開度を設定したら、ステップＳ３０において、スタック１の温度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いて中央部セル１７ｂの温度を検出する。次にステップＳ３１において、スタック１の温度が、負荷に対する所定温度範囲内であるか否かを判断する。ここで、暖機時には、スタック１の温度が過剰に高くなる可能性は低く、スタック１の温度が所定温度範囲内にないと判断された場合には、スタック１が所定温度範囲以下になっていると予測される。この場合には、スタック１の出力が低下する可能性があるので、これを防ぐために、外部を含めて循環する冷却水流量を抑制することによりスタック１の温度を回復する。つまり、ステップＳ３２において、排出バルブ４を閉方向に調整する。例えば、開度を所定値―Ｂ％だけ調整してから、ステップＳ２７に戻る。
【００５９】
一方、ステップＳ３１においてスタック１が所定温度範囲であれば、ステップＳ３３に進み、排出バルブ４の開度が全開であるか否かを判断する。ここで、排出バルブ４の開度が全開ではない場合には、ステップＳ２７に戻り、排出バルブ４が全開となるまで本制御を繰り返す。排出バルブ４の開度が全開である場合には、外部の冷却システムも含めて所定流量の冷却水を循環させる通常運転を行うことが可能であるので、ステップＳ３４において、ポンプ５を停止してから冷却水を用いた暖機を終了し、通常の冷却水制御に移行する。
【００６０】
このように、ステップＳ２８、Ｓ２９、Ｓ３２において、スタック１の温度に応じて排出バルブ４の開度を制御することで、暖機の最適化を図ることができる。
【００６１】
次に、車輌運転中におけるスタック１の温度分布を均一化するための運転時制御を図８に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、例えば一定時間毎に繰り返す。または、温度センサ２１ａ、２１ｂによりスタック１の温度差を検出し、スタック１内の温度差が所定値より大きくなった場合に行う。
【００６２】
ステップＳ４１において、スタック１の温度と車輌の走行速度を検出する。ここでは、温度センサ２１ｂを用いてスタック１の中央部の温度を、車速センサ２３を用いて車速を検出する。ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度より高いか否かを判断する。ここで、所定温度を、負荷に対するスタック１の最適温度または最適温度範囲とする。
【００６３】
ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度より高い場合には、本制御を終了して通常の冷却循環を行う。ここで、排出バルブ４が全開でない場合があるときには、排出バルブ４を全開にしてから通常の冷却水制御に移行する。
【００６４】
一方、ステップＳ４２において、スタック１の温度が所定温度以下の場合には、スタック１の温度を均一化するための冷却水経路１０の短絡制御を行うことができるかどうかを判断する。なお、ここで、スタック１が所定温度以下の場合のみに冷却水経路１０の短絡を行うか否かを判断するのは、冷却水経路１０の短絡時には、外部から供給される冷却水流量が抑制されてスタック１の冷却性能が低下するためである。
【００６５】
ステップＳ４４において、車速が十分に大きいかどうかを判断する。例えば、所定値を１０ｋｍ／ｈｒ等に設定し、これより大きい場合に車速が十分に大きいと判断する。車速が十分に大きい場合には、ステップＳ４５に進む。ステップＳ４５において、車速の変化方向が減速方向であるかどうかを判断する。つまり、ステップＳ４４、Ｓ４５において、車速が大きく、また減速方向に変化していると判断された場合には、スタック１に対する負荷の減少が予測されるため、スタック１からの発熱量の減少が予測される。そのため、スタック１の冷却性能が低下してもスタック１の温度を適温に維持できると予測される。そこで、ステップＳ４６に進み、排出バルブ４を閉じることにより外部からの冷却水循環を遮断してから、ステップＳ４７において、スタック１の温度均一化を行う冷却水経路１０の短絡制御（図７）を行う。ただし、このときには図７に示したフローのステップＳ２１、Ｓ２７〜３４のみを実行する。さらに、ステップＳ３１において、スタック１が所定温度範囲内であるかどうかを判断する場合には、スタック温度が所定温度範囲より高いか否かを判断する。所定温度範囲より高いと判断された場合には、ステップＳ３２ではなく、ステップＳ３４に進んでポンプ５を停止してから冷却水経路１０の短絡制御を終了する。なお、このとき排出バルブ４が全開ではない場合には、排出バルブ４を全開にしてから終了する。スタック１の温度が所定温度以下の場合には、ステップＳ３３に進む。これにより、過剰な温度上昇によりスタック１が劣化するのを防ぐことができる。
【００６６】
また、ステップＳ４６において排出バルブ４を完全に閉じるのではなく、所定量だけ閉じてもよい。これにより、冷却性能の低下を抑制することができる。
【００６７】
一方、ステップＳ４４において、車速が十分に大きいと判断された場合でも、ステップＳ４５において車速の変化方向が加速方向であれば、スタック１における発熱が増大するので本制御を終了して通常の冷却水循環を行う。
【００６８】
また、ステップＳ４４において、車速が十分に大きいと判断されなかった場合には、ステップＳ４９に進み、車速変化が所定の範囲以内であるかどうかを判断する。車速変化が所定の範囲以内になかったら、ステップＳ５２に進み、低車速状態の継続時間を示すカウントをリセットしてから、ステップＳ４４に戻る。ステップＳ４９において、車速変化が所定の範囲以内であったら、ステップＳ５０に進み、低車速状態の継続時間を示すカウントを加算する。ステップＳ５１において、このカウント数が、所定値より大きいかどうかを判断する。例えばカウント数が５分を示す値の場合を所定値とする。
【００６９】
ここで、ステップＳ４９〜Ｓ５１においては、低車速状態が過渡的なものか継続的なものかを判断している。例えば、車速が１０ｋｍ／ｈｒの状態が５分以上続いた場合に低車速状態が継続していると判断する。これは、渋滞中などの車輌状態を示している。このような場合には、スタック１の負荷が急激に増加する可能性が低いので、冷却水経路１０の短絡制御を行うことができる。よって、ステップＳ４６に進み排出バルブ４を閉じてから、ステップＳ４７において冷却水経路１０の短絡制御（図７）を開始する。
【００７０】
このように、運転中には、スタック１の負荷の低減が予測される場合に冷却水経路１０の短絡制御を行うことで、必要な冷却性能を維持しつつ、スタック１の温度差を低減することができる。
【００７１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７２】
供給マニホールド１２と、排出マニホールド１３と、バイパス流路１４とを含んで形成される循環流路に、冷却水を循環させるポンプ５を備える。ポンプ５を用いて冷却水を循環させることで、温度上昇が比較的速い中央部から端部に冷却水を循環することができ、スタック１の温度を均一化することができる。
【００７３】
スタック１の温度を検出する温度センサ２１を備え、遮断手段として、流路断面を可変とする排出バルブ４を備える。なお、供給バルブ３を備えても良い。スタック１の温度に基づいて、排出バルブ４の開度を制御する。これにより、スタック１内の温度上昇を維持しつつ、外部の冷却システムに冷却水を循環させることができるので、燃料電池システムを効率良く暖機することができる。また、スタック１の温度が過度に上昇するのを防ぐため、高温による劣化を避けることができる。
【００７４】
また、スタック１の温度に基づいて、ポンプ５により循環させる冷却水流量を制御することにより、スタック１の温度上昇を維持しつつ、冷却水流量を確保することができるので、スタック１の暖機と温度均一化を同時に行うことができる。
【００７５】
さらに、温度センサ２１ｂにより、スタック１の積層方向中央近辺の温度を検出する。このように、温度の上昇し易い中央部の温度に応じて排出バルブ４やポンプ５を制御することで、暖機の最適化を行うことができる。
【００７６】
または、温度センサ２１ａ、２１ｂにより、スタック１の積層方向中央近辺と、積層方向端部近辺の温度差を検出する。このように、スタック１の積層方向中央近辺と、積層方向端部近辺の温度差に応じて、排出バルブ４やポンプ５を制御することで、スタック１内の温度分布を考慮して暖機を行うので、偏りなく、早期に暖機を行うことができる。ここでは、温度差が最も大きいと推定される端部と中央部の温度を直接検出することにより、確実にスタック１の温度を均一化することができ、暖機時間を短縮することができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、車輌運転中には車速を検知することにより、スタック１の温度均一化の制御を行うことが可能な状態か否かを判断しているが、この限りではない。例えば、アクセルペダルと車速等から推定される要求負荷を検出することによりスタック１の温度均一化の制御を行うことが可能か否かを判断してもよい。このときは、高負荷から低負荷へ変更する場合、低負荷状態か継続されている場合に冷却水経路１０の短絡制御を実行する。このように、スタック１に要求される負荷に応じて判断するので、要求される冷却性能に応じて判断することができ、冷却水経路１０の短絡制御時に冷却不足となるのを抑制することができる。または、外部からの交通情報によりスタック１の温度均一化の制御を行うことが可能な状態か否かを判断することもできる。外部からの交通情報から、要求負荷を推定することができるので、応答性のよい制御を行うことができる。
【００７８】
また、車輌運転時に、車速が所定以下の状態が所定時間継続した場合、つまり、スタック１の要求負荷が比較的低く冷却要求が高くない場合には、スタック１内の冷却水のみを循環させて放熱冷却を図ることもできる。これにより、スタック１に冷却水を供給するための、外部に設けた図示しないポンプに比較して、小型のポンプ５のみを駆動するだけで冷却を行うことができるので、冷却を行うために消費されるエネルギー量を抑制することができる。
【００７９】
さらに、第１実施形態のように直線的なマニホールド１２、１３を用いたスタック１に対しても、本実施形態を適用することができる。
【００８０】
次に、第４実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図９に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８１】
マニホールド１２、１３の、セル積層方向中央部にポンプ５を備える。ここでは、鉛直方向上側に配置したマニホールド、つまり排出マニホールド１３の中央部分にポンプ５を備える。ポンプ５は、鉛直方向下方から積層方向両端方向に向かって冷却水を循環させる。つまり、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂで昇温した冷却水を、ポンプ５によって積極的に積層方向端部に送る。これにより、スタック１の温度を均一化することができる。また、冷却水を中央部から両端部に対称的に循環させるので、両端部の温度を均一化することができる。
【００８２】
本実施形態における冷却システムの制御は、第３実施形態と同様とする。ただし、供給バルブ３は、排出バルブ４の開度の制御と同様に制御する。なお、第２、３実施形態と同様に、排出バルブ４のみを備えても良い。また、供給バルブ３のみを備えても良い。また、第３実施形態同様に、マニホールド１２、１３をＶ字形状に構成しても良い。
【００８３】
次に、第５実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１０に示す。以下、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８４】
平板２に構成したバイパス流路１４にポンプ５を備える。ここでは、スタック１の一端に冷却水の入口部分１２ａと出口部分１３ａを設け、これらと同じ側の端部に備えたバイパス流路１４ａに第１ポンプ５ａを、反対側の端部に備えたバイパス流路１４ｂに第２ポンプ５ｂを備える。第２ポンプ５ｂとしては、逆転可能なポンプを用いる。第１ポンプ５ａおよび第２ポンプ５ｂ（以下、ポンプ５ａ、５ｂ）の設置位置は、流路の圧力損失が最も小さくなる位置とするのが好ましい。
【００８５】
低温起動時にスタック１を暖機する必要があると判断された場合には、バルブ３、４を閉じ、ポンプ５ａ、５ｂを駆動することにより、スタック１内に冷却水を循環させる。これにより、昇温した中央部分の冷却水を端部に積極的に循環させることができるので、スタック１全体を均一に暖機することができ、暖機時間を短縮することができる。
【００８６】
また、スタック１の内部温度検出手段として、温度センサ２１ａ、２１ｂの替わりに、スタック１内全体の温度分布を検出する温度センサ２１ｃを備える。例えば、スタック１内に積層方向に複数の温度センサを備え、これらの検出結果からスタック１内の温度分布を検出するようにしてもよい。
【００８７】
次に、本実施形態の制御について説明する。停止時および通常時の制御は、第３実施形態に示したフローに従って行う。なお、供給バルブ３の開度を、排出バルブ４の開度と同様に制御する。また、ポンプ５ａ、５ｂの駆動はポンプ５の駆動と同様に制御する。このときの第２ポンプ５ｂは正転運転を行う。ここで、ポンプ５ａ、５ｂは、それぞれバイパス流路１４ａ、１４ｂ内を、排出マニホールド１３から供給マニホールド１２に向かって冷却水を送る運転を正転運転とする。つまり、冷却水を鉛直下方に向かって流す回転を正方向の回転とする。停止時および通常運転時の制御では、ポンプ５ａ、５ｂを正転運転により駆動する。
【００８８】
一方、起動時には、第３実施形態と同様に、図６のフローを実行する。このとき、ステップＳ１４における冷却水経路１０の短絡制御を、図１１に示すようなフローに従って行う。
【００８９】
ステップＳ６１において、ポンプ５ａ、５ｂを起動する。第１ポンプ５ａを正転運転、第２ポンプ５ｂを逆転運転とする。第１ポンプ５ａを正転運転、第２ポンプ５ｂを逆転運転とすることで、冷却水は排出マニホールド１３→バイパス流路１４ａ→供給マニホールド１２→バイパス流路１４ｂの順に循環する。低温環境下での起動時には、起動直後には冷却水の粘性も高く循環し難いため、冷却水流路１１に比較して流路抵抗の小さなマニホールド１２、１３およびバイパス流路１４に冷却水を循環させる。
【００９０】
次に、ステップＳ６２〜Ｓ６６においては、ステップＳ２２〜２６と同様に、スタック１の暖機状態を維持しつつ、ポンプ５の流量をαまで増大させる。ステップＳ６６において、ポンプ流量がα以上であると判断されたら、ステップＳ６７に進む。ステップＳ６７では、第２ポンプ５ｂを正転運転に切り替える。なお、このとき第１ポンプ５ａと第２ポンプ５ｂの負荷は同じとする。これにより、排出マニホールド１３の中央部で、各ポンプ５ａ、５ｂから流れ出した冷却水が衝突して圧力が高くなる。また、中央部は、端部を含めるその他の部分より高温となっているので、中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂ内の冷却水粘性抵抗は、その他の冷却水流路１１ａの冷却水粘性抵抗より小さくなっている。さらに冷却水流路１１ｂの流路抵抗は、冷却水流路１１ａの流路抵抗より小さい。これにより中央部セル１７ｂの冷却水流路１１ｂに冷却水が流れる。その結果、中央部セル１７ｂを通って両端に向かう、冷却水の二つの循環ループが形成される。
【００９１】
次に、ステップＳ６８に進み、熱を取り出す部分（以下、熱源）の温度変化を検出する。温度センサ２１ｃにより熱源の温度を検出する。ここで、熱源は、冷却水流路１１を流れる際に冷却水温度が上昇する部分である。言い換えれば、ポンプ５ａ、５ｂにより送り出された冷却水が衝突して流れ込む冷却水流路１１を備えた単位セル１７のことである。なお、後述するステップＳ７０における熱源移動を行っていない場合には、熱源は中央部となる。
【００９２】
ステップＳ６９において、熱源の温度低下の程度を判断する。例えば、熱源の所定時間の温度低下量を検出する。この温度低下量が所定より大きい場合には、ステップＳ７０に進み、熱源移動を行う。
【００９３】
ここで、スタック１の運転中に特定の部分、例えば中央部のみを熱源とした場合、中央部で温度低下を招いて出力が低下する可能性がある。そこで、温度低下量が許容範囲より大きくなった場合には、熱を取り出す位置をずらすことにより、特定の部分の温度が過剰に低下するのを避ける。
【００９４】
ステップＳ７０では、ポンプ５ａ、５ｂの出力の変更を行う。第１ポンプ５ａの出力と、第２ポンプ５ｂの出力の大きさを変えることで、熱源位置を移動させる。ここでは、スタック１内の温度分布を検出する温度センサ２１ｃにより、スタック１内で温度の高い箇所を検出し、その位置が熱源となるようにポンプ５ａ、５ｂを制御する。このように熱源を移動したら、ステップＳ７１に進む。一方、ステップＳ６９において、熱源の温度低下率が許容範囲内である場合には、ステップＳ７０の熱源移動の動作を省略し、ステップＳ７１に進む。
【００９５】
ステップＳ７１〜Ｓ７８では、第３実施形態における図７のフローのステップＳ２７〜Ｓ３４と同様の制御を行う。なお、ステップＳ７６でバルブ３、４の開度を調整した後。また、ステップＳ７７でバルブ３、４が全開ではないと判断された場合には、ステップＳ６８に戻り、熱源移動の制御を行う。また、ステップＳ７１で検出する端部と中央部の温度差は、温度センサ２１ｃにより検出することができる。このとき、温度差をスタック１の最高温度と最低温度との差としてもよい。
【００９６】
なお、ここではステップＳ６９において、熱源移動を行うか否かは、スタック１の熱源温度の時系列変化に従って判断している。これに対して、スタック１の温度分布の変化に応じて行っても良い。この場合には、温度センサ２１ｃを用いて、熱源と端部との温度差を求める。この温度差の時系列変化を検出することで、所定時間内に熱源から端部に移動した熱量を算出することができる。この熱量が過剰に大きい場合には熱源温度が過度に低下する恐れがあると判断して、熱源の移動を行うためにステップＳ７０に進む。移動した熱量が許容範囲内の場合には、熱源移動を行わずに、ステップＳ７１に進む。なお、この移動する熱量の許容範囲は、熱移動と暖機速度とのバランスであり、例えば熱移動量が熱源部の発熱量以上とならない範囲とする。
【００９７】
なお、通常時の冷却水経路１０の短絡制御は、図７に示したフローに従って行う。または、図１１に示したフローのステップＳ６７〜Ｓ７８に従っても良い。ただし、ステップＳ７５においては、スタック１の温度が所定温度範囲より高いか否かを判断する。高いと判断された場合にはステップＳ７８に進み、ポンプ５を停止し、バルブ３、４が全開でなければ全開にしてから通常の冷却水制御を行う。スタック１の温度が所定温度以下の場合には、ステップＳ７７に進む。
【００９８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００９９】
バイパス流路１４ａ、１４ｂを、端部セル１７ｂのさらに積層方向外側にそれぞれ配置し、バイパス流路１４ａ、１４ｂそれぞれに、ポンプ５ａ、５ｂを備える。これにより、ポンプ５ａ、５ｂの駆動によるポンプ自身の発熱により、温度の上昇しにくい端部の暖機を促進することができる。また、ポンプ５ａ、５ｂにより、冷却水を中央部から両方の端部に向かって循環させることができるので、両端部の暖機を同様に行うことができ、暖機時間を短縮することができる。
【０１００】
また、ポンプ５のうち少なくとも一方、ここでは第２ポンプ５ｂに、冷却水の循環方向を正逆転できるポンプを用いる。これにより、冷却水温度が低い時点では、流路面積の大きいマニホールド１２、１３及びバイパス流路１４を流れる一つの循環ループを構成することができる。その結果、粘性の高い状態でも、ポンプ５の負荷を大きくすることなく冷却水流量を維持できる。また、スタック１の温度分布を抑制しながら暖機する場合には、積層方向中央部で冷却水がぶつかる二つの循環ループを形成するようにポンプ５ａ、５ｂを制御することができ、スタック１全体を均一に暖機することができる。
【０１０１】
スタック１の温度を検出する温度センサ２１を備え、スタック１の温度に基づいて、ポンプ５により循環させる冷却水流量を制御する。ここでは、スタック１の温度に応じて熱源移動を行う。例えば、スタック１内の温度が高い部分を熱源とするように、ポンプ５ａ、５ｂを制御する。これにより、さらにスタック１全体の温度を均一化すると共に、部分的に反応に適した温度範囲から外れるのを防ぐことができるので、高出力を維持することができる。ここでは、温度センサ２１ｃにより、スタック１の熱源の温度変化を検出することにより、熱源移動を行うか否かを判断する。これにより、熱源温度が過剰に低下するのを防ぐことができる。また、温度センサ２１ｃにより、スタック１の熱源と、積層方向端部近辺の温度差を検出することにより、熱源移動を行うか否かを判断してもよい。熱源から端部へ移動した熱量が過剰に大きい場合には、熱源を移動することにより、熱源温度の過度の低下を防ぐことができる。
【０１０２】
なお、図１１においては、スタック１の温度に応じてポンプ５を制御することにより温度に応じて熱源を設定してから（Ｓ６８〜７０）、スタック１の温度に応じてバルブ３、４を制御することにより温度の均一化を維持しつつ、外部を循環する冷却水流量を調整している（Ｓ６１〜Ｓ６３、Ｓ６６）。つまり、ポンプ５ａ、５ｂの制御とバルブ３、４の制御の直列制御を行っている。これに対して、コントローラ７を複数のコントローラから構成する場合等には、図１２に示すような並列制御が可能となる。つまり、ステップＳ６８〜Ｓ７０における熱源移動を行うためのポンプ５ａ、５ｂの制御と、ステップＳ７１〜Ｓ７３におけるバルブ３、４の開度制御を並列して行う。ステップＳ６７において、ポンプ５ａ、５ｂを正転運転に設定したら、ポンプ５ａ、５ｂおよびバルブ３、４の調整を平行して行い、ステップＳ７４でスタック１の温度の検討を行う。これにより、図１１と同様の制御を短時間で行うことができる。
【０１０３】
次に、第６実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１３に示す。以下、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１０４】
バイパス流路１４を迂回するバイパス流路１５を備える。ここでは、バイパス流路１４ｂを迂回するバイパス流路１５を備える。バイパス流路１５は、マニホールド１２、１３の端部を連結する流路である。平板２のさらに積層方向外側に構成する。
【０１０５】
バイパス流路１５には感温弁１６を備える。感温弁１６を、熱膨張係数の高い素材、または高温時の形状を記憶する形状記憶合金を用いて形成する。これにより、高温時にはバイパス流路１５は閉となり、低温時にはバイパス流路１５は開となる。よって、感温弁１６により、通常時にはバイパス流路１５は閉となるため、冷却水は流れない。これにより、通常時に余計な冷却水流量を増大することにより燃費が悪化するのを防ぐことができる。
【０１０６】
暖機運転時には、冷却水は端部の冷却水流路１１ａに流れ難く、冷却水経路１０の平均流路断面が通常運転時より小さくなるため、スタック１内の冷却水圧力が増大する。そこで、通常時には冷却水が循環しないバイパス流路１５を設け、暖機運転時にこのバイパス流路１５に冷却水を循環させる。これにより、暖機時にスタック１内の冷却水経路１０の圧力が上昇するのを抑えることができる。
【０１０７】
このとき、バイパス流路１４内の冷却水圧力が小さくなるため、ポンプ５ａ、５ｂを高速に運転することができる。その結果、ポンプ５ａ、５ｂで生じる発熱量を増大することができ、冷却水温度をさらに上昇させて、スタック１の暖機時間を短縮することができる。また、ポンプ５ａ、５ｂを備えたバイパス流路１４に平行にバイパス流路１５を備えることで、低温時のバイパス流路１４の冷却水圧力を抑制することができる。その結果、低温で粘度が高くなりやすい冷却水の循環流量を達成するために、ポンプ５ａ、５ｂに過負荷がかかるのを防ぐことができる。
【０１０８】
なお、バイパス流路１５の構成はこのかぎりではない。例えば、図１４に示すように、平板２内に構成してもよい。図１４では、バイパス流路１４をセル面の対角線に沿って構成し、これに沿ってさらにバイパス流路１５を構成する。このように、バイパス流路１５を平板１２内に構成することで、スタック１の積層方向のサイズが大きくなるのを防ぐことができる。
【０１０９】
次に、第７実施形態について説明する。ここで用いるスタック１の概略構成を図１５に示す。以下、第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１０】
ここでは、温度センサ２１ａ、２１ｂの替わりに、出力検出手段としての電圧センサ２４を備える。電圧センサ２４として、スタック１からの出力を検出する電圧センサ２４ａ、単位セル１７のセル電圧を検出する電圧センサ２４ｂを備える。ここで、電圧センサ２４ｂは、端部セル１７ａ、中央部セル１７ｂを含めた数箇所のセル電圧を検出することにより、セル電圧分布を検出するものでもいいし、隣接する複数の単位セル１７のセル電圧を検出するものでもよい。
【０１１１】
本実施形態では、スタック１自身の発電により発生する熱量に応じて、バルブ３、４およびポンプ５を制御する。ここでは、スタック１の出力に応じて、スタック１で生じる熱量を推定し、温度上昇率を推定する。
【０１１２】
まず、電圧からスタック１の熱量を算出する方法について説明する。
【０１１３】
電圧センサ２４ａにより、実際のスタック１の出力を算出する。この実際の出力を、燃料利用率、運転温度（例えば、８０℃）、運転圧力から算出される理論出力と比較する。次に、その差から冷却量を差し引いた値が発熱により消費された量となる。なお、冷却量は、スタック１内を循環する冷却流量と、冷却水の温度とから算出することができる。発熱により消費された量から発熱量を算出し、これとスタック１の熱容量を用いてスタック１の温度変化に換算する。これにより、スタック１の温度上昇率を推定することができる。
【０１１４】
また、電圧センサ２４ｂを用いて検出した単位セル１７のセル電圧から、発熱量を推定し、単位セル１７の温度上昇率を推定することができる。ただし、この場合には各単位セル１７への燃料の分配割合等を考慮して理論セル電圧を算出する必要がある。
【０１１５】
このように電圧からスタック１で生じる熱量を推定することができる。そこで、起動時の冷却システムの制御を図１６に示すフローチャートに従って行う。以下、図６に示したフローと異なる部分を説明する。
【０１１６】
ステップＳ１１、Ｓ１２においては、スタック１の温度を検知してバルブ３、４の開閉判定を行ったのに対して、本実施形態では、ステップＳ８１、Ｓ８２では、スタック１の出力を検知して排出バルブ４の開閉判定行う。ステップＳ８１で、電圧センサ２４ａを用いてスタック１の出力電圧を検出する。ステップＳ８２において、スタック１の出力電圧から、スタック１に暖機を行う必要があるか否かを判断する。低温時にスタック１に燃料を供給しても、スタック１の電圧は上がり難いため、電圧の上昇率を検出することで、暖機が必要であるか否かを判断することができる。暖機が必要であると判断された場合には、ステップＳ８３においてバルブ３、４を閉じ、ステップＳ８４において冷却水経路１０の短絡制御を行う。一方、暖機が必要ないと判断された場合には、ステップＳ８５でバルブ３、４を開としてから、本制御を終了して通常の冷却水制御を行う。
【０１１７】
次に、暖機時の冷却水経路１０の短絡制御を、図１７のフローチャートを用いて説明する。以下、図１１のフローと異なる部分を中心に説明する。
【０１１８】
ステップＳ９１においてポンプ５を起動する。ステップＳ９２において、電圧センサ２４ｂを用いて、スタック１の中央部セル１７ｂのセル電圧を検出する。これにより、中央部セル１７ｂの温度上昇率を算出する。ステップＳ９３において、この温度上昇率から、スタック１が暖機され昇温している状態を維持しているか否かを判断する。ステップＳ９４〜Ｓ９６においてステップＳ６４〜Ｓ６６と同様に、ポンプ流量をαまで増大するようにポンプ流量を制御する。
【０１１９】
つまり、ここでは、スタック１の発熱量、言い換えればスタック１の電圧に応じて、ポンプ５により送られる冷却水流量を制御する。スタック１の中央部と端部とで熱交換を行うためのポンプ５による循環により、中央部近傍の出力が低下しない場合には、さらにポンプ５による循環量を増加させることが可能である、逆に、出力低下が発生する場合には、ポンプ５により循環する冷却水流量を抑制する必要がある。
【０１２０】
次に、ステップＳ９７において、ポンプ５ａ、５ｂを正転に変更したら、ステップＳ９８において熱源のセル電圧を検出する。セル電圧の所定時間の変化を検出することにより、所定時間のセル温度変化を算出する。ステップＳ９９において、熱源の温度が過剰に低下しているか否かを判断し、過剰に低下していると判断された場合に、ステップＳ１００において熱源移動の制御を行う。例えば、セル温度が低下していると判断される場合には、熱源のセル電圧が低下する可能性があるので、ステップＳ１００において熱源移動の制御を行う。
【０１２１】
なお、ここでは中央部セル１７ｂのセル電圧が低下した際に、熱源を移動させると判断するがこの限りではない。例えば、熱源と端部セル１７ａのセル電圧を検出し、この電圧差を算出する。所定時間でこの電圧差が急激に小さくなった場合には、熱源から端部セル１７ａに急激に熱が移動して、熱源の出力が低下している可能性がある。よって、熱源と端部の電圧差の変化率に応じて、熱源を移動するか否かを判断することもできる。
【０１２２】
次に、ステップＳ１０１において、中央部セル１７ｂと端部セル１７ａのセル電圧差を検出する。ステップＳ１０２において、セル電圧差が所定より大きいか否かを判断する。セル電圧差が大きい場合には、中央部と端部に温度差が生じている可能性があるので、バルブ３、４の開度を維持する。一方、セル電圧差が所定以下の場合には、中央部と端部の温度差はないと判断して、ステップＳ１０３において、バルブ３、４の開度を大きくする（例えば、＋Ａ％）ことにより、外部の冷却システムを含めた冷却水の循環を促進する。
【０１２３】
ステップＳ１０４において、電圧センサ２４ａを用いてスタック１の出力を検出する。ステップＳ１０５においてスタック１の出力が所定範囲であるか否かを判断する。スタック１の出力が所定範囲に満たない場合には、スタック１の冷却が過剰であると判断して、ステップＳ１０６においてバルブ３、４を閉じる方向に作動させてステップＳ９８に戻る。なお、スタック１の出力低下の原因は、冷却過剰によるスタック１の温度低下のほか、冷却不足によるスタック１の温度が過剰に上昇した場合も考えられるが、暖機時の冷却水経路１０の短絡制御ではスタック１の温度が過剰になる可能性が低いためこれを無視することができる。
【０１２４】
一方、スタック１の出力が適切である場合には、ステップＳ１０７において、バルブ３、４の開度が全開であるか否かを判断する。全開ではない場合には、ステップＳ９８に戻り、本制御を繰り返す。一方、バルブ３、４が全開の場合には、通常の冷却水の流通状態となっているので、ステップＳ１０８においてポンプ５ａ、５ｂを停止してから、通常の冷却制御に移行する。
【０１２５】
なお、ここでは暖機時の冷却水経路１０の短絡制御を説明した。これに対して、運転時には、ステップＳ１０５において、スタック１の出力が所定範囲ではないと判断されたら、ステップＳ１０８に進み、ポンプ５ａ、５ｂを停止して通常の冷却制御に戻る。スタック１の出力が所定範囲の場合には、ステップＳ１０７に進み、バルブ３、４が全開か否かの判断を行う。これにより、スタック１の出力低下を抑制することができる。
【０１２６】
また、本実施形態では、電圧に応じてスタック１の温度変化を推定したが、電流値に応じて推定することもできる。スタック１に電流センサ２５を備え、温度推定手段が電流から温度を推定するためには、図１８に記載したような電流密度に対する電圧効率（実効率）がスタック１ごとに運転圧力や温度、ガスの利用率により一定の関係を示すという特性を利用する。図１８から電流を電圧に換算し、前述した電圧から温度を算出する方法で電流から温度に換算可能である。
【０１２７】
なお、本実施形態は、第３実施形態に対しても同様に適用することができる。つまり、第３実施形態において、スタック１の温度に応じてポンプ５、排出バルブ４を制御するのに対して、電圧や電流に応じた制御を行うことができる。
【０１２８】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第５実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【０１２９】
スタック１の発熱量に応じて、ポンプ５ａ、５ｂとバルブ３、４の少なくとも一方を制御する。発熱量よりスタック１の温度上昇率を推定することができるので、第１〜６実施形態と同様の制御を行うことができる。
【０１３０】
スタック１の出力電圧またはセル電圧または出力電流を検出する出力検出手段（電圧センサ２４、電流センサ２５）を備える。これにより、スタック１の出力電圧またはセル電圧または出力電流から発熱量を推定することができるので、第１〜６実施形態と同様の制御を行うことができる。
【０１３１】
スタック１の積層方向中央近辺のセル電圧に基づいて、スタック１の発熱量を推定する。上昇率が一番大きいと推定される部分の電圧に応じて冷却システムを制御するので、暖機を効率的に行うことができる。または、積層方向中央近辺のセル電圧と積層方向端部近辺のセル電圧との差に基づいて、スタック１の発熱量を推定する。これにより、電圧差が最も大きいと推定される部分の電圧差に応じてスタック１の暖機を行うので、効率的にスタック１の温度を均一化しつつ、暖機を行うことができる。
【０１３２】
なお、ここではバイパス流路１４を平板２に形成したが、この限りではない。例えば、スタック１の端部のバイパス流路１４を図示しない電極板内に構成してもよい。これにより、燃料電池端部の冷却水の流路が電極板内にあるので、流路制約の大きいセル面よりも流路設計やポンプレイアウトの自由度を増すことができ、設計の最適化を図ることができる。
【０１３３】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に用いる単位セルに形成する冷却水流路の概略図である。
【図３】第２実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図４】第３実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図５】第３実施形態におけるシステム停止時のフローチャートである。
【図６】第３実施形態におけるシステム起動時のフローチャートである。
【図７】第３実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図８】第３実施形態における車輌運転時のフローチャートである。
【図９】第４実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１０】第５実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１１】第５実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図１２】第５実施形態における冷却水経路の短絡制御の別例のフローチャートである。
【図１３】第６実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１４】第６実施形態に用いるスタックの別例の概略構成図である。
【図１５】第７実施形態に用いるスタックの概略構成図である。
【図１６】第７実施形態におけるシステム起動のフローチャートである。
【図１７】第７実施形態における冷却水経路の短絡制御のフローチャートである。
【図１８】電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１ スタック
３ 供給バルブ（遮断手段、調整弁）
４ 排出バルブ（遮断手段、調整弁）
５ ポンプ
１１ 冷却水流路（冷媒流路）
１２ 供給マニホールド
１３ 排出マニホールド
１４ バイパス流路
１７ 単位セル
１７ａ 端部セル
１７ｂ 中央部セル
２１ 温度センサ
２４ 電圧センサ
２５ 電流センサ
Claims (13)
- 冷媒流路を有した単位セルを水平方向に複数積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記単位セルの積層方向に設けられ、前記冷媒流路に冷媒を分配する供給マニホールドと、
前記単位セルを挟んで前記供給マニホールドと反対側に設けられ、前記冷媒流路から冷媒を回収する排出マニホールドと、
前記供給マニホールドへの供給または、前記排出マニホールドからの排出のうち少なくとも一方を選択的に遮断する遮断手段と、
前記単位セルのうち、少なくとも一方の積層方向端部に配置した単位セルのさらに積層方向外側に構成した平板と、
前記平板の内部に設けられ、前記供給マニホールと前記排出マニホールドとを連通し、前記冷媒流路よりも圧力損失が小さいバイパス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記供給マニホールドと、前記排出マニホールドと、前記バイパス流路とを含んで形成させる循環流路に少なくともひとつ設けられ、冷媒を循環させるポンプを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記ポンプのうち少なくともひとつは、冷媒の循環方向を正逆転できるポンプである請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記単位セルのうち積層方向中央近辺に配置した単位セル内の冷媒流路を、積層方向端部近辺に配置した単位セル内の冷媒流路に比較して、流路断面積が大きくなるように構成した請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記単位セルのうち積層方向中央近辺に配置した単位セル内の冷媒流路を、積層方向端部近辺に配置した単位セル内の冷媒流路に比較して、流路長が短くなるように構成した請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記遮断手段として、流路断面を可変とする調整弁を備え、
前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記調整弁の開度を制御する請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記ポンプにより循環させる冷媒流量を制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。 - 前記温度検出手段により、前記燃料電池スタックの積層方向中央近辺の温度を検出する請求項６または７に記載の燃料電池システム。
- 前記温度検出手段により、前記燃料電池スタックの積層方向中央近辺と、積層方向端部近辺の温度差を検出する請求項６または７に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックの発熱量に応じて、前記ポンプと前記遮断手段の少なくともひとつを制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックの出力電圧またはセル電圧または出力電流を検出する出力検出手段を備え、
前記燃料電池スタックの出力電圧またはセル電圧または出力電流から発熱量を推定する請求項１０に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックの積層方向中央近辺のセル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの発熱量を推定する請求項１１に記載の燃料電池システム。
- 積層方向中央近辺のセル電圧と積層方向端部近辺のセル電圧との差に基づいて、前記燃料電池スタックの発熱量を推定する請求項１１に記載の燃料電池システム。
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