JP4178849B2

JP4178849B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4178849B2
Application number: JP2002184948A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　　友宏; 利幸河合; 邦夫岡本; 哲斉尾崎; 工藤　　弘康
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2003249251A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池では、発電に伴い内部で水分が発生する。また、高分子型電解質膜を有する固体高分子型燃料電池では、電解質膜の導電性を向上させる目的で、外部から水分供給が行われている。冬期等の低温環境下では、これらの燃料電池内に存在する水分が凍結してしまい、燃料電池が始動しないあるいは出力が低下するという問題がある。
【０００３】
このため、例えば電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、予め外部の熱源（商用電源等）を用いて電気ヒータで燃料電池を保温しておく方法や、加熱ヒータを車両に搭載して始動時に燃料電池を昇温する方法等がとられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、外部電源を用いる方法では、停車場所が限定されてしまうため、ユーザの利便性が悪くなるという問題がある。また、加熱ヒータを車両に搭載する方法では、短時間で燃料電池の昇温させるためには大容量のヒータが必要となるため、車両への搭載性の面で不利であった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、低温環境下において小型の熱源を用いて燃料電池を短時間で始動可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、積層された複数のセル（１０ａ）を有するとともに、前記セルにて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれに対して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路（２０）と、前記熱媒体循環経路（２０）に循環する前記熱媒体の流量を制御する熱媒体循環手段（２４）と、前記熱媒体を加熱する加熱手段（３２）と、前記熱媒体循環経路（２０）に設けられ、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路（３０）と、前記バイパス経路（３０）または前記熱媒体循環経路（２０）の少なくとも一方に、前記熱媒体のバイパス流量を制御する流路制御手段（３１）とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池（１０）を暖機運転する際に、前記複数のセル（１０ａ）のすべてにおける一部の部位を集中的に加熱することを特徴としている。
【０００７】
このように、暖機運転時に燃料電池（１０）の一部の部位を集中的に加熱することで一部の部位において発電を可能とし、一部の部位での発電による自己発熱を利用して残りの部位の加熱を行うことができる。これにより、暖機運転に必要な熱量が小さくなるので、低温環境下において小型の熱源により燃料電池を短時間で起動させることができる。
【０００９】
請求項１の構成により、バイパス経路（３０）により燃料電池（１０）の一部のみに加熱された熱媒体を循環させて部分的な加熱を行うことができる。また、燃料電池（１０）の一部で発電が開始された後は、熱媒体を燃料電池全体に循環させることで、発電により生じた熱を燃料電池全体に伝えて燃料電池全体を加熱することができる。このような構成によれば、従来より燃料電池システムに備えられている冷却システムにわずかな構成要素を付加するだけで、燃料電池の部分的な加熱を行うことができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、前記燃料電池（１０）における集中的に加熱される部位の温度（Ｔｆｃ）を検出する温度検出手段（３３）を備え、前記温度検出手段（３３）により検出された燃料電池温度（Ｔｆｃ）に基づいて、前記加熱手段（３２）による前記熱媒体の加熱量の制御、前記熱媒体循環手段（２４）による前記熱媒体の循環量の制御、および前記流路制御手段（３１）によるバイパス流量の制御を行うことを特徴としている。
【００１１】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、前記燃料電池（１０）の暖機運転を行う際に、前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より低い場合には、前記熱媒体のすべてを前記バイパス経路（３０）に循環させて、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおける一部の部位のみに循環させ、前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）が前記所定温度（Ｔｆｂ）より高い場合には、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれに水素および酸素の供給を行うとともに、前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）に基づき前記バイパス流量を調整することで、前記セル（１０ａ）の他の部位に対する前記熱媒体の循環量を調整することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて、水素あるいは酸素の出口側近傍より前記熱媒体が流入し、水素あるいは酸素の入口側近傍より前記熱媒体が流出することを特徴としている。これにより、電気化学反応により生成する生成水が、水素あるいは酸素の出口側近傍にて低温環境下で凍結することを防止できる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明では、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて、水素あるいは酸素の入口側近傍より前記熱媒体が流入し、水素あるいは酸素の出口側近傍より前記熱媒体が流出することを特徴としている。これにより、加湿水素あるいは加湿酸素に含まれる水分が、水素あるいは酸素の入口側近傍にて低温環境下で凍結することを防止できる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明では、前記バイパス経路（３０）により、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおける一部の部位のみを循環させている場合に、前記熱媒体の流れ方向を切り替える熱媒体流れ方向切替手段（３４〜３６、２５）を備えることを特徴としている。
【００１５】
これにより、暖機運転をする際に、積層されたセル（１０ａ）間で温度分布が生じることを防止できる。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明では、前記セル（１０ａ）内において、前記セル（１０ａ）に供給される酸素の流れ方向を切り替える酸素流れ方向切替手段（１６〜１８）を備えることを特徴としている。
【００１７】
燃料電池に供給される酸素は比較的高温となっているので、このように酸素流れ方向を切り替えることで、酸素排出部近傍において発生する水分の凍結を防止できる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明では、前記セル（１０ａ）内において、前記セル（１０ａ）に供給される水素の流れ方向を切り替える水素流れ方向切替手段を備えることを特徴としている。
【００１９】
燃料電池に供給される水素は比較的高温となっているので、このように水素流れ方向を切り替えることで、水素排出部近傍において発生する水分の凍結を防止できる。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明では、熱媒体循環経路（２０）に設けられ、熱媒体を冷却する冷却手段（２１）と、熱媒体循環経路（２０）において熱媒体冷却手段（２１）と並列的に設けられた加熱経路（２６）と、熱媒体の流路を、冷却手段（２１）あるいは加熱手段（３２）に切り替える流路切替手段（２７）とを備え、加熱手段（３２）は、加熱経路（２６）に設けられており、流路切替手段（２７）により、暖機運転時には加熱手段（３２）に熱媒体を循環させ、通常運転時には冷却手段（２１）に熱媒体を循環させることを特徴としている。
【００２１】
これにより、通常運転時には熱媒体が加熱手段（３２）を通過しないので、暖機運転終了後に熱媒体循環経路（２０）で圧力損失が増加するのを防ぐことができ、熱媒体を循環させるための補機類の消費電力増加を防止できる。
【００２２】
また、請求項１０に記載の発明では、バイパス経路（３０）に循環する前記熱媒体の流量を制御するバイパス経路熱媒体循環手段（３８）を備え、流路制御手段は、バイパス経路熱媒体循環手段（３８）であることを特徴としている。このように、熱媒体循環手段（２４）に加えてバイパス経路熱媒体循環手段（３８）を設けることで、熱媒体の流量制御性を向上させることができる。
【００２３】
また、請求項１１に記載の発明では、燃料電池（１０）における集中的に加熱される部位の燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）を検出する第１の温度検出手段（３３と、燃料電池（１０）全体の燃料電池全体温度（Ｔｆｏ）を検出する第２の温度検出手段（２５）とを備え、燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）および燃料電池全体温度（Ｔｆｏ）に基づいて、加熱手段（３２）による熱媒体の加熱量の制御、第１の熱媒体循環手段（２４）による熱媒体循環量の制御、およびバイパス経路熱媒体循環手段（２４）による熱媒体循環量の制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
具体的には、請求項１２に記載の発明のように、燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より低い場合には、熱媒体循環経路（２０）およびバイパス経路（３０）における熱媒体流量を一致させ、熱媒体のすべてをバイパス経路（３０）に循環させて、燃料電池（１０）の一部を集中的に加熱し、燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より高い場合には、複数のセル（１０ａ）のそれぞれに水素および酸素を供給を行うとともに、燃料電池（１０）に流入する熱媒体の温度を所定温度（Ｔｆｉ）に保つように、燃料電池（１０）の他の部位に対する熱媒体の循環量を調整することができる。
【００２５】
また、請求項１３に記載の発明では、第１の温度検出手段および第２の温度検出手段は、熱媒体循環経路（２０）におけるバイパス経路（３０）の合流点の下流側に設けられた１つの温度検出手段（２５）からなることを特徴としている。これにより、システム構成を簡素化することができる。
【００２６】
また、請求項１４に記載の発明では、熱媒体循環手段（２４）が循環させることができる熱媒体の最低流量と、バイパス経路熱媒体循環手段（３８）が循環させることができる熱媒体の最大流量とが一致していることを特徴としている。このように、バイパス経路熱媒体循環手段（３８）は、熱媒体循環手段（２４）に比較して小容量のものを用いることができる。
【００２７】
また、請求項１５に記載の発明では、加熱手段（３２）は、熱媒体循環経路（２０）における熱媒体循環手段（２４）と燃料電池（１０）との間に配置されていることを特徴としている。これにより、加熱手段（３２）にて加熱された熱媒体が熱媒体循環手段（２４）を通過して熱が奪われることを防止できる。
【００２８】
また、請求項１６に記載の発明では、加熱手段（３２）は、燃料電池（１０）の熱媒体入口近傍に配置されていることを特徴としている。これにより、熱のロスを最小限に抑えることができ、燃料電池（１０）を加熱する際の熱効率を向上させることができる。
【００２９】
また、請求項１７に記載の発明では、熱媒体循環経路（２０）から分岐した後に再合流する加熱バイパス経路（４０）を備え、加熱手段（３２）は加熱バイパス経路（４０）に設けられていることを特徴としている。
【００３０】
これにより、熱媒体循環経路（２０）に加熱手段（３２）を設ける場合にも、加熱手段（３２）で熱媒体を加熱する必要がない場合には、熱媒体を加熱手段（３２）をバイパスさせることができる。従って、大流量の熱媒体を循環させても、加熱手段（３２）による圧力損失を防ぐことができる。また、加熱手段（３２）に大流量の熱媒体が流れるのを防ぐことができるので、加熱手段（３２）の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、請求項１８に記載の発明では、加熱バイパス経路（４０）が熱媒体循環経路（２０）に再合流する箇所には加熱手段（３２）に流れる熱媒体の流量を調整可能な流量調整手段（４１）が設けられていることを特徴としている。これにより、熱媒体の加熱温度を調整することができ、燃料電池（１０）の加熱温度を調整することができる。
【００３２】
また、請求項１９に記載の発明では、バイパス経路（３０）は、熱媒体循環経路（２０）の燃料電池（１０）の熱媒体流入側における熱媒体循環手段（２４）の上流側に接続されていることを特徴としている。これにより、請求項１６〜１９と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、請求項２０に記載の発明では、バイパス経路（３０）は、熱媒体循環経路（２０）の燃料電池（１０）の熱媒体流出側と交差しており、バイパス経路（３０）と熱媒体循環経路（２０）の燃料電池（１０）の熱媒体流出側との交差点には四方弁（４２）が設けられ、四方弁（４２）は、熱媒体循環経路（２０）あるいはバイパス経路（３０）を流れる熱媒体の流路を熱媒体循環経路（２０）あるいはバイパス経路（３０）に切り替えることができることを特徴としている。
【００３４】
これにより、熱媒体の流路を任意に切り替えることができるとともに、バイパス経路（３０）の熱媒体循環手段（３８）を省略することができる。
【００３５】
また、請求項２１に記載の発明では、バイパス経路（３０）の配管径は、熱媒体循環経路（２０）の配管径より小さいことを特徴としている。これにより、バイパス経路（３０）に流れる熱媒体流量を少なくすることができ、暖機運転に用いられる熱媒体の熱容量を小さくすることができる。従って、暖機運転時に熱媒体を早期に昇温することができ、燃料電池（１０）の暖機時間を短縮することができる。
【００３６】
また、請求項２２に記載の発明では、バイパス経路（３０）に設けられ、熱媒体を循環させるバイパス経路熱媒体循環手段（３８）を備え、加熱手段（３２）は、前記バイパス経路（３０）に設けられており、流路制御手段は、バイパス経路熱媒体循環手段（３８）であり、熱媒体循環手段（２４）による熱媒体循環流量およびバイパス経路熱媒体循環手段（３８）による熱媒体循環流量を制御することにより、熱媒体循環経路（２０）およびバイパス経路（３０）に循環する熱媒体流量を制御することを特徴としている。
【００３７】
このような構成により、燃料電池（１０）の一部を集中的に加熱する際に、熱媒体が循環する経路が短くなるので、一部加熱を行う時間を短くすることができる。
【００３８】
また、請求項２４に記載の発明では、複数のセル（１０ａ）のそれぞれに対して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路（２０）と、熱媒体循環手段（２０）に熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（２４）と、複数のセル（１０ａ）のすべてにおける一部の部位を直接的に加熱する加熱手段（３７）を備えることを特徴としている。このように、セル（１０ａ）を直接的に加熱する場合であっても、熱媒体を介して加熱する場合と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また、請求項２３に記載の発明では、燃料電池（１０）にて発電した電力を熱エネルギに変換して熱媒体を加熱する電気式加熱手段（３９）を備えていることを特徴としている。このように燃料電池（１０）の発電電力を利用することで、より早期に燃料電池（１０）の暖機運転を完了することができる。
【００４０】
また、請求項２４に記載の発明では、複数のセル（１０ａ）のすべてにおける一部の部位を集中的に加熱する際に、燃料電池（１０）における水素が供給される水素極あるいは酸素が供給される酸素極の少なくとも一方に、水素および酸素の混合ガスを供給することを特徴としている。
【００４１】
燃料電池（１０）の水素極および酸素極には、通常Ｐｔからなる触媒が担持されている。このため、水素および空気の混合気が導入されることにより水素が触媒燃焼する。これにより得られる発熱を利用して燃料電池（１０）を効率よく部分的に加熱することができる。
【００４２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００４３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００４４】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、水素供給装置１１、空気供給装置１２、加熱冷却システム２０〜３３、制御部１００等を備えている。
【００４５】
燃料電池（ＦＣスタック）１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１０ａが複数積層されて構成されている。各セル１０ａは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０には、発電した電力を取り出すための電極１０ｂ、１０ｃが設けられている。発電した電力は、インバータ（電力変換手段）１１を介して図示しない走行用モータを駆動するための負荷電力、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。
【００４６】
燃料電池１０には、水素供給装置１２より水素が供給され、空気供給装置１３から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。水素供給装置１２としては、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができ、空気供給装置１３としては、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。燃料電池１０に供給された空気のうち反応に用いられなかった未反応空気は、排ガスとして燃料電池１０より排出される。燃料電池１０に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素は、図示を省略しているが、循環され再利用される。
【００４７】
発電時の化学反応のために、燃料電池１０内部の電解質膜が水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、図示しない加湿器等により予め加湿された水素および空気が燃料電池１０に供給され、燃料電池１０内の電解質膜が加湿される。
【００４８】
また、本第１実施形態の燃料電池システムでは、外気温を検出するための外気温センサ１４が設けられている。
【００４９】
燃料電池１０では、発電の際の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池１０は発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには、熱媒体を用いて燃料電池１０で発生した熱を系外に放出する冷却システム２０〜２５が設けられている。なお、本第１実施形態では、熱媒体として低温環境下で凍結しない不凍液冷却水を用いている。
【００５０】
冷却システムには、冷却水を燃料電池１０に循環させるための熱媒体循環経路２０、冷却水を冷却するための熱交換手段であるラジエータ２１が設けられている。燃料電池１０を通過した冷却水は熱媒体流路２０を介してラジエータ２１に循環し、ここで外気（大気）と熱交換され冷却される。冷却水は、燃料電池１０を構成する各セル１０ａの内部を循環するように構成されている。
【００５１】
図２は、セル１０ａを水素、空気供給方向から見た側面図である。図２に示すように、本第１実施形態では冷却水入口は空気出口側近傍に設けられ、冷却水出口は空気入口側近傍に設けられている。図２の破線で示すように、冷却水はセル１０ａ内部に流入し内部を蛇行した後にセル１０ａから流出する。
【００５２】
また、冷却システムには、冷却水をラジエータ２１をバイパスさせるためのラジエータバイパス経路２２、ラジエータ２１への冷却水流量を調整する温調弁２３、冷却水を循環させる熱媒体循環手段としてのウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）２４、燃料電池１０を通過した冷却水の温度を検出する温度センサ２５が設けられている。
【００５３】
さらに、本第１実施形態の燃料電池システムでは、低温環境下における燃料電池１０の早期始動のために燃料電池１０を昇温させる昇温システム３０〜３３が設けられている。本第１実施形態における昇温システムは、上記冷却システムと一体的に設けられている。
【００５４】
主経路である熱媒体循環経路２０には、冷却水を積層されたセル１０ａのすべてにおける一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路３０が設けられている。バイパス経路３０には、バイパス経路３０を開閉する流路制御弁（流路制御手段）３１が設けられている。流路制御弁３１の開度を制御することで、バイパス経路３０に流れる冷却水量を調整することができる。
【００５５】
具体的には、燃料電池１０内部よりバイパス経路３０側の方が圧力損失が小さいため、流路制御弁３１の開度を大きくすることで、バイパス経路３０側に流れる冷却水流量が多くなり、流路制御弁３１を全開にすることで、すべての冷却水をバイパス経路３０に循環させることができる。逆に、流路制御弁３１の開度を小さくすることで、燃料電池１０全体に循環する冷却水量を多くすることができ、流路制御弁３１を全閉することで、すべての冷却水を燃料電池１０に循環させることができる。
【００５６】
本第１実施形態では、熱媒体経路２０における燃料電池１０の上流側に冷却水を加熱するためのヒータ（加熱手段）３２が設けられている。ヒータ３２は電気式ヒータあるいは燃焼式ヒータ等を用いることができる。本第１実施形態のように、ヒータ３２を燃料電池１０の冷却水入口近傍に設ける場合には熱のロスが少なく、燃料電池１０を加熱する際の熱効率を向上させることができる。
【００５７】
バイパス経路３０における燃料電池１０出口近傍には、燃料電池１０を通過した冷却水の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。この温度センサ３３により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０のうち加熱された冷却水にて昇温された部位の温度Ｔｆｃを間接的に検出することができる。
【００５８】
本第１実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御部１００が設けられている。制御部１００には、外気温センサ１４、温度センサ２５、３３等からセンサ信号が入力され、インバータ１１、水素供給装置１２、空気供給装置１３、温調弁２３、ウォータポンプ２４、流路制御弁３１、ヒータ３２等に制御信号を出力するように構成されている。
【００５９】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温環境下での始動時の作動について図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００６０】
まず、燃料電池バイパス温度Ｔｆｂ、ラジエータバイパス温度Ｔｒｂを設定する（ステップＳ１０）。燃料電池バイパス温度Ｔｆｂは、燃料電池１０の発電が可能となる温度である。本第１実施形態では、燃料電池バイパス温度Ｔｆｂを例えば０℃に設定している。ラジエータバイパス温度Ｔｒｂは、ラジエータ２１による冷却水の冷却を開始する温度であり、燃料電池１０の暖機が終了する温度である。本第１実施形態では、ラジエータバイパス温度Ｔｒｂを例えば７０℃に設定している。
【００６１】
次に、温度センサ３３により燃料電池温度Ｔｆｃを検出し、外気温センサ１４により外気温Ｔａｔｍを検出する（ステップＳ１１）。そして、燃料電池温度Ｔｆｃが燃料電池バイパス温度Ｔｆｂより低いか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００６２】
この結果、ＴｆｃがＴｆｂより低い場合（Ｔｆｃ＜Ｔｆｂ）には、燃料電池１０が発電不可能な状態である。このため、燃料電池１０の一部を発電可能な温度まで昇温させる部分暖機運転を行う。
【００６３】
まず、温調弁２３および流路制御弁３１を全開に設定する（ステップＳ１３）。次に、燃料電池温度Ｔｆｃ、外気温Ｔａｔｍ等に基づいて、ヒータ３２による冷却水の加熱量、ウォータポンプ２４による冷却水流量を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、外気温Ｔａｔｍが低い場合あるいは燃料電池温度Ｔｆｃが低い場合には、多くの熱量が必要であるので、ヒータ３２による加熱量を多くし、ウォータポンプ２４による冷却水流量を多くする。
【００６４】
次に、ステップＳ１４で決定した加熱量に基づいてヒータ３２の加熱制御を行い、冷却水流量に基づいてウォータポンプ２４の回転数制御を行う（ステップＳ１５）。ヒータ３２により加熱された冷却水が、燃料電池１０内を循環する。このとき、流路制御弁３１が全開となっているので、上述のように冷却水は燃料電池１０の一部の部位のみを循環する。
【００６５】
これにより、燃料電池１０を構成する各セル１０ａにおいて、発電面の一部のみに冷却水を循環させることができる。本第１実施形態では、燃料電池１０内部における図１中の上方側のみに冷却水が循環する。この結果、燃料電池１０のうち冷却水が循環する部位の近傍のみを集中的に昇温させることができる。燃料電池温度Ｔｆｃが燃料電池バイパス温度Ｔｆｂより高くなるまで、上記ステップＳ１３〜１５を繰り返し行う。
【００６６】
上記ステップＳ１２で、燃料電池温度Ｔｆｃが燃料電池バイパス温度Ｔｆｂを上まわっている場合には、燃料電池１０の一部が発電可能な状態であると判断できる。このため、燃料電池１０の一部で発電を開始し、発電による自己発熱を利用して燃料電池１０全体を昇温させる全体暖機運転を行う。この全体暖機運転は、燃料電池温度Ｔｆｃがラジエータバイパス温度Ｔｒｂに達するまで行う（ステップＳ１６）。
【００６７】
まず、温調弁２３を全開に設定し、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて流路制御弁３１の開度を制御する（ステップＳ１７）。具体的には、燃料電池温度Ｔｆｃが高くなるほど流路制御弁３１の開度を小さく設定し、燃料電池１０内部に循環する冷却水量を増加させる。
【００６８】
次に、水素供給装置１２から燃料電池１０への水素の供給を開始し、空気供給装置１３から燃料電池１０への空気の供給を開始する（ステップＳ１８）。これにより、燃料電池１０では上記ステップＳ１３〜Ｓ１５で昇温された部位において発電が開始する。燃料電池１０では、発電が開始した部位で発熱が生じる。次に、上記ステップＳ１４、１５と同様に、ヒータ３２の加熱制御、ウォータポンプ２４の回転数制御を行う。
【００６９】
このとき、冷却水が燃料電池１０内部に循環するように設定されているので、発電により生じた熱は、燃料電池１０内部を循環する冷却水により、燃料電池１０全体に伝えられる。これにより、燃料電池１０の一部における発電に伴う自己発熱を有効に利用して、燃料電池１０全体の暖機を行うことができる。また、燃料電池１０全体に冷却水を循環させることで、発熱より過剰に燃料電池の温度が上昇することを防止できる。
【００７０】
上記ステップＳ１６で燃料電池温度Ｔｆｃがラジエータバイパス温度Ｔｒｂを上まわっていると判定された場合には、燃料電池１０全体で暖機が終了して燃料電池１０全体で発電が可能であると判断できる。この場合には、以下の手順で定常運転時の制御を行う。
【００７１】
まず、流路制御弁３１を全閉とし、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて温調弁２３の開度を制御する（ステップＳ１９）。具体的には、燃料電池温度Ｔｆｃが高くなるほど温調弁２３の開度を小さく設定し、ラジエータ２１に流れる冷却水量を増加させる。流路制御弁３１を全閉とすることで、すべての冷却水が燃料電池１０内部に流れる。次に、水素供給装置１２より燃料電池１０に水素を供給し、空気供給装置１３より燃料電池１０に空気を供給する（ステップＳ２０）。
【００７２】
次に、ヒータ３２による加熱を停止し（ステップＳ２１）、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて熱媒体循環経路２０を循環する冷却水流量を設定し、ウォータポンプの回転数を制御する（ステップＳ２２、２３）。これにより、燃料電池１０を発電効率のよい所定温度（７０〜８０℃程度）に保持することができる。
【００７３】
以上、本第１実施形態によれば、燃料電池１０の一部を集中的に加熱することで、燃料電池１０を構成する各セル１０ａにおいて最低限の発電面積を確保することができる。これにより、各セル１０ａにおける発電可能な部位にて発電を開始し、発電による自己発熱を利用して燃料電池１０全体の暖機を完了させることができる。
【００７４】
このような構成によれば、燃料電池１０の一部を加熱するだけでよいので加熱手段による加熱容量を低減できる。このため、小さな熱源を用いて低温環境下において燃料電池を短時間で始動させ、安定した出力を得ることができる。
【００７５】
また、燃料電池１０内部において電気化学反応により発生した生成水は、図２中斜線で示すように各セル１０ａの空気出口側近傍に溜まる。このため、本第１実施形態のように、各セル１０ａにおける空気出口側近傍から冷却水を流入させることで、加熱された冷却水が流入する空気出口近傍を優先的に加熱することができる。これにより、空気出口近傍に溜まる水分が低温環境下で凍結することを有効に防止することができる。
【００７６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して部分暖機運転時に燃料電池１０を循環する冷却水の流れ方向を切り替えることができる熱媒体流れ方向切替手段が設けられている点で異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図４は、本第２実施形態の燃料電池システムの主要部の構成を示している。図４に示すように、本第２実施形態では、冷却水循環経路２０とバイパス経路３０とを接続するサブバイパス経路３４が設けられている。また、冷却水循環経路２０とサブバイパス経路３４との接続部、バイパス経路３０とサブバイパス経路３４との接続部には、それぞれ流路切替弁３５、３６が設けられている。サブバイパス経路３４の内部には、互いに交差する２つの流路が設けられている。
【００７８】
これらのサブバイパス経路３４、流路切替弁３５、３６が熱媒体流れ方向切替手段を構成している。また、本第２実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の出力電力を検出する電力センサ（電力検出手段）１５が備えられている。
【００７９】
次に、本第２実施形態の燃料電池システムの部分暖機運転時における冷却水の流れ方向の切り替え制御について説明する。
【００８０】
まず、流路切替弁３４、３５は閉じた状態にして、サブバイパス経路３４に冷却水が流れない状態にしておく。ヒータ３２により加熱された冷却水は、図４中破線矢印で示すように順方向（図中左→右）に循環し、燃料電池１０内部を図中左側から右側に循環する。これにより、燃料電池１０の一部が集中的に加熱される。
【００８１】
このとき、冷却水は、積層された各セル１０ａを順番に通過するため、冷却水が流入する側に位置するセル１０ａが優先的に加熱され、冷却水が流出する側に位置するセル１０ａの加熱が遅れる。この結果、各セル１０ａ間で温度分布が生じることとなる。このような各セル１０ａ間における温度分布は、燃料電池１０の出力電力の低下をもたらす。このため、本第２実施形態では、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度以上となった場合に、冷却水の流れ方向を切り替えるように構成している。
【００８２】
図５は、冷却水の流れ方向を切り替えた場合の冷却水流れ方向を示している。流路切替弁３５、３６を開いてサブバイパス経路３４に冷却水が流れるようにすることで、図５に示すように冷却水はサブバイパス経路３４内で交差し、燃料電池１０に逆方向（図中右→左）に循環する。これにより、冷却水の出入り口を反転させ、部分暖機運転の際に各セル１０ａを均一に暖機することができ、各セル１０ａ間で温度分布が生じて出力電力が低下することを防止できる。
【００８３】
また、本第２実施形態では、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて冷却水の流れ方向を切り替えるように構成したが、これに限らず、燃料電池１０の出力電力の低下に基づいて冷却水流れ方向を切り替えるように構成することもできる。具体的には、各セル１０ａ間で温度分布が生じ、電力センサ１５により検出した燃料電池１０の出力電力が所定電力以下に低下した場合に、冷却水の流れ方向を反転させる。
【００８４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して、熱媒体流れ方向切替手段として熱媒体の流れ方向を切り替え可能な熱媒体循環手段を用いている点で異なるものである。上記第各実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８５】
図６は、本第３実施形態の燃料電池システムの主要部の構成を示している。図６に示すように、本第３実施形態では、熱媒体循環手段として冷却水の流れ方向を切り替え可能なウォータポンプ２５を用いている。このウォータポンプ２５は、冷却水の入口側および吐出側を反転することができるように構成されている。本第３実施形態では、ウォータポンプ２５が熱媒体流れ方向切替手段を構成している。
【００８６】
このようなウォータポンプ２５を用い、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度以上となった場合、あるいは燃料電池１０の出力電力が所定電力以下となった場合に、冷却水の流れ方向を切り替えることで、上記第２実施形態と同様に、部分暖機運転をする際に各セル１０ａを均一に暖機することができ、各セル１０ａ間で温度分布が生じて出力電力が低下することを防止できる。
【００８７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７、図８に基づいて説明する。図４は上記第１実施形態に比較して、燃料電池１０に供給される空気の流れ方向を切り替えることができる空気流れ方向切替手段（酸素流れ方向切替手段）が設けられている点で異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８８】
図７は、本第４実施形態の燃料電池システムの主要部の構成を示している。図７では、図１で示した加熱冷却システムの図示を省略している。
【００８９】
図７に示すように、本第４実施形態では、燃料電池１０に空気が供給される空気供給経路と、燃料電池１０から未反応酸素を含む排ガスが排出される空気排出経路とを接続する空気バイパス経路１６が設けられている。空気バイパス経路１６と空気供給経路との接続点、空気バイパス経路１６と空気排出経路との接続点には、それぞれ流路切替弁１７、１８が設けられている。
【００９０】
これらの空気バイパス経路１６、流路切替弁１７、１８は、図４で示した上記第２実施形態のサブバイパス経路３４、流路切替弁３５、３６と同様の構成となっている。本第４実施形態では、空気バイパス経路１６、流路切替弁１７、１８が空気流れ方向切替手段を構成している。
【００９１】
次に、本第４実施形態の燃料電池システムの空気の流れ方向の切り替え制御について説明する。
【００９２】
まず、流路切替弁１７、１８は閉じた状態にして、空気バイパス経路１６に空気が流れない状態にしておく。空気供給装置１２より供給された空気は、図７中破線矢印で示すように流れる。空気は各セル１０ａ内部を図４中下方から上方に向けて流れる。
【００９３】
空気供給装置１２は断熱圧縮機であるコンプレッサが用いられているので、燃料電池１０に供給される空気は比較的高温となっている。このため、燃料電池１０を構成する各セル１０では、空気が流入する側（図４中下方側）が高温空気により優先的に加熱されることとなる。このため、個々のセル１０ａにおいて温度分布が生じ、空気供給側が過剰に温度上昇する場合がある。
【００９４】
そこで、本第４実施形態では、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度以上となった場合に、燃料電池１０への空気供給方向を切り替えている。図８は、空気供給方向を切り替えた場合の空気流れ方向を示している。流路切替弁１７、１８を開いて空気バイパス経路１６に冷却水が流れるようにすることで、図８に示すように冷却水は空気バイパス経路１６内で交差し、各セル１０ａにおける空気流入側と空気流出側が反転する。これにより、各セル１０ａにおいて空気流入側の温度が過剰に上昇するのを防止することができる。
【００９５】
また、各セル１０ａ内部では、電気化学反応により発生した生成水が空気流出側に溜まり、低温環境下において凍結する場合がある。しかしながら、本第４実施形態のように、各セル１０ａにおける空気流入側と空気流出側を切り替えることで、生成水が溜まっている部位に高温空気を流入させることができ、セル１０ａ内部での生成水の凍結を防止することができる。
【００９６】
また、本第４実施形態では、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて空気の流れ方向を切り替えるように構成したが、これに限らず、燃料電池１０の出力電力の低下に基づいて空気流れ方向を切り替えるように構成することもできる。具体的には、電力センサ１５により検出した燃料電池１０の出力電力が所定電力以下に低下した場合に、空気の流れ方向を反転させる。
【００９７】
また、本第４実施形態で説明した空気流れ方向切替手段と同様の構成で、燃料電池１０に供給される水素の流れ方向を切り替える水素流れ方向切替手段を設けた場合にも、空気流れ方向切替手段を設けた場合と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
すなわち、電気化学反応により生成する生成水の一部は、セル１０ａ内の電解質膜中を拡散して、水素出口近傍にも溜まる。また、燃料電池１０に供給される水素は比較的高温となっている。このため、燃料電池１０に対する水素供給方向を反転させることで、水素出口近傍において水分が凍結するのを防止することができる。
【００９９】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図９に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態に比較して、暖機運転に用いられる加熱手段が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
図９は、本第５実施形態の燃料電池システムの主要部の構成を示す斜視図である。本第５実施形態では、冷却水を加熱して暖機運転を行う加熱システム３０〜３３は設けられておらず、図９に示すように、暖機運転時に燃料電池１０の一部の部位を加熱する加熱手段としてヒータ３７が設けられている。このヒータ３７は、熱媒体を介することなく燃料電池１０を直接的に加熱するように構成されている。なお、ヒータ３７としては、電気式ヒータや燃焼式ヒータ等を用いることができ、本第５実施形態では電気式ヒータを用いている。
【０１０１】
図９に示すように、本第５実施形態の電気式ヒータ３７は、燃料電池１０を構成するすべてのセル１０ａに部分的に接触するように配置されている。電気式ヒータ３７は、２次電池１９等の補助電源や燃料電池１０の発電電力により作動する。燃料電池１０が発電不可能な部分暖機運転時には、２次電池１９よりヒータ３７に電力供給し、燃料電池１０が部分的に発電可能な全体暖機運転時には、燃料電池１０よりヒータ３７に電力供給するように構成できる。
【０１０２】
上記構成の燃料電池システムは、以下のように作動する。まず、ヒータ３７により燃料電池１０の一部を集中的に加熱して部分暖機運転を行う。このとき、冷却水は循環させない。燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度以上となったら、燃料電池１０への水素と空気の供給を開始するとともに、冷却水の循環を開始して全体暖機運転を行う。これにより、燃料電池１０の一部において発電により生じた自己発熱を利用して、燃料電池１０全体の暖機を行うことができる。このような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１０、図１１に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第１実施形態に比較して、暖機運転に用いられる加熱手段の配置および流路制御手段の構成が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
図１０は、本第６実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。上記第１実施形態では、熱源となるヒータ３２を加熱対象である燃料電池１０への伝熱効率を向上させるために燃料電池１０の直近に設置していた。しかしながら、暖機運転終了後にも冷却水がヒータ３２を通過するため経路の圧力損失を招き、熱媒体を循環させるための機器の消費電力が大きくなり効率が低下する。
【０１０５】
そこで、図１０に示すように本第６実施形態では、熱媒体循環経路２０にヒータ３２を備える加熱経路２６がラジエータ２１と並列的に設けられている。熱媒体循環経路２０におけるヒータ３２側とラジエータ２１側の合流点には、流路切替手段としての三方弁２７が設けられている。三方弁２７を切り替えることにより、冷却水の流路をラジエータ２１側あるいはヒータ３２側に切り替えることができる。
【０１０６】
バイパス経路２０の燃料電池１０出口近傍には第１の温度センサ３３が配置され、熱媒体循環経路２０の燃料電池１０出口近傍には第２の温度センサ２５が配置され、熱媒体循環経路２０の燃料電池１０入口近傍には第３の温度センサ２８が配置されている。第１の温度センサ３３では、燃料電池１０の集中的に加熱される部位の燃料電池部分温度Ｔｆｃを間接的に検出でき、第２の温度センサ２５では、燃料電池全体温度Ｔｆｃｏを間接的に検出できる。
【０１０７】
本第６実施形態では、パイパス経路３０に熱媒体循環手段としてのウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）３８が設けられている。このパイパス経路３０に設けられたパイパス経路ポンプ３８の回転数を制御することにより、バイパス経路３０を循環する冷却水の流量を制御できる。
【０１０８】
パイパス経路ポンプ３８はバイパス経路３０のみに冷却水を循環させることができればよいので、熱媒体循環経路２０に設けられた熱媒体循環経路ポンプ２４に比較して小容量のポンプを用いることができる。例えば、バイパス経路ポンプ３８の規格流量（最大流量）と熱媒体循環経路ポンプ２４の最低流量とが一致するように２つのポンプの容量を選択することができる。
【０１０９】
以下、本第６実施形態の燃料電池システムの作動を図１１に基づいて説明する。図１１は、本第６実施形態の燃料電池システムの制御タイムチャートである。
【０１１０】
図１１中、時間ｔ０からｔ１の間では燃料電池１０の一部が発電可能温度である燃料電池バイパス温度Ｔｆｂになるまで燃料電池１０の昇温を行い、時間ｔ１からｔ２の間では燃料電池１０全体が燃料電池バイパス温度Ｔｆｂになるまで燃料電池１０の昇温を行い、時間ｔ２からｔ３の間では燃料電池１０全体が暖機終了温度であるラジエータバイパス温度Ｔｒｂになるまで燃料電池１０の昇温を行う。
【０１１１】
まず、三方弁２７を加熱経路２６側に切り替え、ヒータ３２をオンにする。同時にウォータポンプ２４、３８を作動させ、熱媒体循環経路２０の冷却水循環量とバイパス経路３０の冷却水循環量とが一致するように、２つのウォータポンプ２４、３８の回転数を制御する。これにより、ヒータ３２にて加熱されたすべての冷却水がバイパス経路３０に流れ、燃料電池１０の一部の部位のみが集中的に加熱される。
【０１１２】
第２温度センサ３３にて検出した燃料電池部分温度Ｔｆｃが燃料電池バイパス温度Ｔｆｂになるまで、バイパス経路３０に冷却水を循環させて燃料電池１０の一部を集中的に加熱する。燃料電池バイパス温度Ｔｆｂは、燃料電池１０内部で生成した水が凍結しない温度、例えば５℃以上に設定することが望ましい。
【０１１３】
燃料電池部分温度Ｔｆｃが燃料電池バイパス温度Ｔｆｂまで昇温したら、燃料電池１０に水素および空気（酸素）の供給を開始して燃料電池１０の一部で発電を開始する。そして、熱媒体循環経路ポンプ２４の回転数を制御し、燃料電池１０内部を流れる冷却水量を制御する。この際、バイパス経路ポンプ３８の回転数は一定に保ってバイパス経路３０の冷却水流量を一定とすることで、熱媒体循環経路２０とバイパス経路３０を流れる冷却水流量の差により、燃料電池１０内部に流れる冷却水量を制御することができる。
【０１１４】
そして、熱媒体循環経路ポンプ２４の回転数を増加させ、温度センサ２８で検出する燃料電池１０に流入する冷却水温度が所定温度Ｔｆｉとなるように、熱媒体経路２０を循環する冷却水流量を増加させる。所定温度Ｔｆｉは、上記燃料電池バイパス温度Ｔｆｂと同様、燃料電池内部で生成した水が凍結しない温度、例えば５℃とすればよい。また、燃料電池１０の発電開始後は、発電に伴う燃料電池１０の自己発熱を考慮し、所定温度Ｔｆｉをある程度下げ、例えば−５℃程度に設定しても良い。これにより、同一の投入熱量において冷却水の流量を大きくできるため、よりセル面内の広範囲に熱を伝えることが可能となり、早期暖機を図ることができる。
【０１１５】
第３温度センサ２５で検出した燃料電池全体温度Ｔｆｃｏが、第２温度センサ３３で検出した燃料電池部分温度Ｔｆｃを上回った場合には、燃料電池１０全体で発電可能であると判断できるので、バイパス経路ポンプ３８を停止し、熱媒体循環経路ポンプ２４のみを作動させる。これにより、すべての冷却水が燃料電池１０内部に循環し、燃料電池１０全体がさらに昇温する。その後、ヒータ３２をオフする。
【０１１６】
燃料電池全体温度Ｔｆｃｏがラジエータバイパス温度Ｔｒｂまで昇温した場合には、冷却水がラジエータ２１に流れるように三方弁２７を切り換える。これにより、暖機運転を終了して定常運転を行うことができる。
【０１１７】
以上の本第６実施形態の構成によれば、熱媒体を加熱する加熱手段としてのヒータ３２がラジエータ２１と並列的に設けられているので、定常運転時には熱媒体がヒータ３２を通過することがない。従って、定常運転時における熱媒体経路２０の圧力損失を最小限に抑えることができ、冷却水を循環させるための補機類の消費電力増加を防止できる。
【０１１８】
また、本第６実施形態では、バイパス経路３０に熱媒体循環手段としてのウォータポンプ３８を設けているので、流路制御弁を設ける場合に比較して、熱媒体流量の制御性を向上させることができる。また、本第６実施形態では、既存のウォータポンプを用いることができ、バイパス経路３０に適合した流路制御弁を新規に用意するよりコスト面でも有利である。
【０１１９】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１２、図１３に基づいて説明する。本第７実施形態は、上記第６実施形態に比較して、燃料電池の発電電力を利用した加熱手段が追加されている点が異なるものである。上記第６実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２０】
図１２は、本第７実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１２に示すように、加熱経路２６には電気ヒータ３９が設けられている。電気ヒータ３９は、燃料電池１０から供給される電力で加熱経路２６を流れる冷却水を加熱するものである。
【０１２１】
燃料電池１０にて発電された電力は、インバータ１１により走行用の主機モータや周辺補機の動力、２次電池の充電等に消費される。しかし、暖機時には一般的に停車状態にあることや、低温時においては、電池の充電能力に制限があるため、それほど大きな電力を消費できない場合がある。そこで、本第７実施形態では電力を熱エネルギに変換する電気ヒータ３９を設け、その熱を利用して冷却水の加熱を行うように構成することで、燃料電池１０の早期暖機を可能としている。
【０１２２】
図１３は、本第７実施形態の燃料電池システムの制御タイムチャートである。図１３に示すように、燃料電池部分温度Ｔｆｂ１が燃料電池バイパス温度Ｔｆｂまで昇温し燃料電池１０での発電が開始されたら、燃料電池１０で発電された電力を電気ヒータ３９に供給する。冷却水は、ヒータ３２に加えて電気ヒータ３９によっても加熱される。この結果、冷却水への投入熱量が大きくなり、燃料電池１０内部に流す冷却水流量を大きくすることができる。これにより、より早期に暖機を行うことが可能となる。
【０１２３】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について図１４、図１５に基づいて説明する。上記第７実施形態に比較して、温度センサを１つ減らしている点が異なる。上記第７実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２４】
図１４は、本第８実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１４に示すように、本第８実施形態では、燃料電池バイパス経路３０における燃料電池１０出口近傍の温度センサ３３を省略しているとともに、熱媒体循環経路２０の燃料電池１０出口近傍に設けられた第３温度センサ２５を、バイパス経路３０との合流点より下流側に設けている。
【０１２５】
これにより、本第８実施形態の第３温度センサ２５は、冷却水をバイパス経路３０のみに流して燃料電池１０の一部を集中的に加熱している場合には、燃料電池部分温度Ｔｆｃを検出できる。また、燃料電池１０全体に冷却水を流した場合には、第３温度センサ２５で燃料電池全体温度Ｔｆｃｏを検出できる。従って、ヒータ３２に流れる流量、ヒータ３２の熱量、温度センサ２５の検出温度に基づいて、燃料電池１０への投入温度を一定に保つような冷却水流量条件を算出することができる。
【０１２６】
図１５は、本第８実施形態の燃料電池システムの作動を示すタイムチャートである。図１５に示すように、燃料電池１０の一部を集中的に加熱している際に、温度センサ２５にて検出した冷却水温度が燃料電池バイパス温度Ｔｆｂを上回ったら、燃料電池１０全体に冷却が循環するようにして、燃料電池１０全体を加熱する。
【０１２７】
その後、燃料電池１０の全体を加熱するために一旦低下した温度センサ２５の検出温度が、再び燃料電池バイパス温度Ｔｆｂを上回ったら、燃料電池全体が発電可能であると判断することができる。
【０１２８】
以上のような構成によっても、上記第７実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、温度センサの数を減らすことにより、システム構成を簡素化することができる。
【０１２９】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態について図１６、図１７に基づいて説明する。本第９実施形態は、上記第６実施形態に比較して、加熱手段であるヒータ３２の設置位置が異なるものである。上記第６実施形態と同様の部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３０】
図１６は、本第９実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１６に示すように、バイパス経路３０は、熱媒体循環経路２０におけるウォータポンプ２４の下流側であって燃料電池１０の上流側で合流している。バイパス経路３０には、ウォータポンプ３８の下流側にヒータ３２が設けられている。このような構成により、燃料電池１０の一部を集中的に加熱する場合には、冷却水はバイパス経路ポンプ３８→ヒータ３２→燃料電池１０の一部部位の順に循環する。
【０１３１】
また、熱媒体循環経路２０には、冷却水をラジエータ２１をバイパスさせるためのラジエータバイパス経路２２、ラジエータ２１への冷却水流量を調整する温調弁２３が設けられている。
【０１３２】
図１７は、本第９実施形態の燃料電池システムの制御タイムチャートを示している。図１７に示すように、ｔ０からｔ１まではバイパス経路ポンプ３８のみを作動させ、ｔ１からｔ２まではバイパス経路ポンプ３８に加えて熱媒体循環経路ポンプ２４を作動させ、ｔ２以降は熱媒体循環経路ポンプ２４のみを作動させる。
【０１３３】
このような構成によっても上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第９実施形態の構成では、燃料電池１０の一部を集中的に加熱させる際に、熱媒体が循環する経路が短くなるので、一部加熱を行う時間を短くすることができる。
【０１３４】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態について図１８〜図２０に基づいて説明する。本第１０実施形態は、上記第１実施形態に比較して、燃料電池１０に供給される水素および空気（酸素）がそれぞれ混合して供給される点で異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３５】
図１８は、本第１０実施形態の燃料電池システムの主要部の構成を示している。図１８では、図１で示した加熱冷却システムの図示を省略している。
【０１３６】
図１８に示すように、本第１０実施形態では、水素供給装置１２から燃料電池１０に水素が供給される水素供給経路１２ａに、空気供給装置１３から混合用空気が供給される混合用空気経路１３ｂが接続している。また、空気供給装置１３から燃料電池１０に空気が供給される空気供給経路１３ａに、水素供給装置１２から混合用水素が供給される混合用水素経路１２ｂが接続している。
【０１３７】
このような構成により、燃料電池１０の暖機運転を行う際に水素供給経路１２ａを流れる水素に混合用空気経路１３ｂより混合用空気を供給することで、燃料電池１０の水素極には、水素と空気の混合ガスが導入される。また、燃料電池１０の酸素極でも同様に、空気と水素の混合ガスが導入される。
【０１３８】
燃料電池１０の水素極および酸素極には、通常Ｐｔからなる触媒が担持されている。このため、水素および空気の混合ガスが導入されることにより、水素が触媒燃焼し、これにより得られる発熱を利用して燃料電池１０を部分的に加熱することができる。
【０１３９】
図１９は、本第１０実施形態の燃料電池システムの制御タイムチャートを示している。図１９に示すように、ｔ０からｔ１までの燃料電池１０の一部を集中的に加熱する際に、燃料電池１０の水素極および酸素極には、水素と空気（酸素）の混合ガスが導入される。
【０１４０】
図２０は燃料電池１０のセル面における加熱状態を示しており、（ａ）は水素極側を示し、（ｂ）は酸素極側を示している。図２０に示すように、水素および空気の混合ガスが、それぞれ水素極および酸素極の入口近傍にて触媒により燃焼反応することにより、加熱領域Ｚが形成されている。
【０１４１】
ｔ０における燃料電池１０の温度により、加熱領域Ｚの広がりは変わるが、供給水素流量Ｖ_MO／混合用空気流量Ｖ_GHおよび供給空気流量Ｖ_MH／混合用水素流量Ｖ_GOを制御することにより、加熱領域Ｚを所定の範囲に制御することが可能である。
【０１４２】
次に、時間ｔ１において燃料電池１０の部分的な加熱が完了した後、この加熱領域Ｚにて発電を開始することにより、反応面領域を拡大させていく。この際、混合水素流量Ｖ_MHおよび混合空気流量Ｖ_MOをゼロとして、供給水素流量Ｖ_GHおよび供給空気流量Ｖ_GOを増加させながら制御を行っていく。
【０１４３】
以上のように触媒燃焼反応を利用することによって、燃料電池１０の部分的な加熱を効率よく行うことができる。
【０１４４】
（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態について図２１に基づいて説明する。
【０１４５】
図２１は、本第１１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。本第１１実施形態の燃料電池システムでは、図１０にて示した上記第６実施形態の燃料電池システムに対して、燃料電池１０の冷却水出口近傍に逆止弁２９が設けられている。逆止弁２９は、熱媒体循環経路２０における燃料電池１０の下流側であって、バイパス経路３０との合流点より上流側に設けられている。
【０１４６】
また、バイパス経路３０の配管は、熱媒体循環経路２０の配管より径が小さいものを用いている。本第１１実施形態では、熱媒体循環経路２０に直径３０ｍｍ程度の配管を用い、バイパス経路３０には直径１５ｍｍ程度の配管を用いている。
【０１４７】
このような構成により、暖機運転時に冷却水をバイパス経路３０に循環させた際に、冷却水がバイパス経路３０から熱媒体循環経路２０を介して燃料電池１０出口側に逆流するのを防ぐことができる。
【０１４８】
また、バイパス経路３０の配管径を小さくすることで、バイパス経路３０の冷却水量を少なくすることができ、暖機運転に用いられる冷却水の熱容量を小さくすることができる。これにより、暖機運転時に冷却水を早期に昇温することができ、燃料電池１０の暖機時間を短縮することができる。
【０１４９】
（第１２実施形態）
次に、本発明の第１２実施形態について図２２に基づいて説明する。
【０１５０】
図２２は、本第１２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。本第１２実施形態の燃料電池システムでは、図１６にて示した上記第９実施形態の燃料電池システムに対して、上記第１１実施形態と同様の逆止弁２９が設けられおり、さらにウォータポンプ２４の位置が変更されている。ウォータポンプ２４は、熱媒体循環経路２０における燃料電池１０の上流側であって、バイパス経路３０との合流点より下流側に設けられている。
【０１５１】
このような構成により、暖機運転時に燃料電池１０の一部を集中的に加熱している際に、２つのウォータポンプ２４、３８を用いて冷却水を循環させることができる。冷却水として一般的な不凍液を用いた場合、例えば−３０℃といった低温環境下では冷却水の粘性が高くなり、ポンプの負荷が大きくなる。このような場合に、２つのウォータポンプ２４、３８を作動させることで、ポンプ能力を増大させることができる。
【０１５２】
（第１３実施形態）
次に、本発明の第１３実施形態について図２３に基づいて説明する。
【０１５３】
図２３は、本第１３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。本第１３実施形態の燃料電池システムでは、図２２にて示した上記第１２実施形態の燃料電池システムに対して、ヒータ３２の位置を変更している。
【０１５４】
本第１３実施形態のヒータ３２は、熱媒体循環経路２０におけるバイパス経路３０の合流点より下流側であって、ウォータポンプ２４と燃料電池１０との間に設けられている。本第１３実施形態では、熱媒体循環経路２０から分岐して再合流する加熱バイパス経路４０が設けられており、ヒータ３２はこの加熱バイパス経路４０に設けられている。熱媒体循環系路２０と加熱バイパス経路４０との再合流点には、加熱バイパス経路４０側と熱媒体循環経路２０側に流れる冷却水量を調整可能な流量調整弁４１が設けられている。
【０１５５】
このような構成により、暖機運転時には流量調整弁４１にて冷却水がヒータ３２に流れるようにして冷却水を加熱し、燃料電池１０を昇温することができる。このとき、流量調整弁４１にてヒータ３２に流れる冷却水量を調整することで、冷却水の加熱温度を調整することができ、燃料電池１０の加熱温度を調整することができる。また、ヒータ３２はウォータポンプ２４の下流側に設けられているので、ヒータ３２にて加熱された冷却水が熱容量の大きいウォータポンプ２４を通過して熱が奪われるのを防ぐことができる。
【０１５６】
通常運転時には、流量調整弁４１にて冷却水が熱媒体循環経路２０に流れるようにすることで、燃料電池１０の冷却のために大流量（例えば１００リットル／分）の冷却水を循環させても、ヒータ３２による圧力損失を防ぐことができる。また、ヒータ３２に大流量の冷却水が流れるのを防ぐことができ、ヒータ３２の耐久性を向上させることができる。
【０１５７】
（第１４実施形態）
次に、本発明の第１４実施形態について図２４に基づいて説明する。
【０１５８】
図２４は、本第１４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。本第１４実施形態の燃料電池システムでは、図２２にて示した上記第１２実施形態の燃料電池システムに対して、四方弁４２が設けられている。
【０１５９】
本第１４実施形態のバイパス経路３０は、燃料電池１０の上流側で熱媒体循環経路２０に合流する前に、燃料電池１０の下流側で熱媒体循環経路２０と接続している。バイパス経路３０と熱媒体循環経路２０における燃料電池１０の下流側との接続点には、四方弁４２が設けられている。この四方弁４２は、熱媒体循環経路２０あるいはバイパス経路３０を流れる冷却水流路を、熱媒体循環経路２０あるいはバイパス経路３０に切り替えることができる。
【０１６０】
このような構成により、暖機運転時には、四方弁４２により燃料電池１０→バイパス経路３０→ヒータ３２→ウォータポンプ２４とする閉回路を形成することで、燃料電池１０を暖機する。
【０１６１】
次に、燃料電池１０が発電可能温度以上となった場合はヒータ３２を停止し、四方弁４２により燃料電池１０→熱媒体循環経路２０→四方弁４２→バイパス経路３０→ヒータ３２→ウォータポンプ２４とする閉回路を形成し、燃料電池１０の発電を開始する。これにより、燃料電池１０の自己発熱を利用して燃料電池１０の昇温を促進することができる。
【０１６２】
次に、燃料電池１０の温度が上昇し冷却が必要となった場合は、四方弁４２により燃料電池１０→熱媒体循環経路２０→ラジエータ２１→ウォータポンプ２４とする閉回路を形成する。これにより、燃料電池１０を冷却することができる。
【０１６３】
以上の構成により、バイパス経路３０と熱媒体循環経路２０における燃料電池１０の下流側との接続点に四方弁４２を設けることで、冷却水の流路を任意に切り替えることができるとともに、バイパス経路３０のウォータポンプ３８を省略することができる。
【０１６４】
（第１５実施形態）
次に、本発明の第１５実施形態について図２５に基づいて説明する。
【０１６５】
図２５は、本第１５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。本第１５実施形態の燃料電池システムでは、図２４にて示した上記第１４実施形態の燃料電池システムに対して、図２３で示した上記第１３実施形態と同様にヒータ３２の位置が変更されている。このような構成により、上記第１３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１６６】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、冷却水温度を検出する温度センサ３３で間接的に燃料電池温度Ｔｆｃを検出するように構成したが、これに限らず、燃料電池１０のうち部分暖機運転時に集中的に加熱される部位に温度センサを設け、直接的に燃料電池温度Ｔｆｃを検出するように構成してもよい。
【０１６７】
また、上記第１実施形態では、図２に基づいて説明したように、各セル１０ａにおいて空気出口側近傍から冷却水を流入させ、空気入口側近傍から冷却水を周出させるように構成したが、これに限らず、冷却水の流入側と流出側を逆に構成することもできる。このような構成によれば、空気入口近傍において、加湿された空気に含まれる水分が低温環境下で凍結するのを防止することができる。
【０１６８】
また、図２６に示すように、各セル１０ａにおいて水素出口近傍より冷却水を流入させ、水素入口近傍より冷却水を流出させるように構成することもできる。電気化学反応により生成する生成水の一部は、セル１０ａ内の電解質膜中を拡散して、水素出口近傍にも溜まる。従って、水素出口近傍より加熱された冷却水を流入させることで、低温環境下で水素出口近傍において水分が凍結するのを防止できる。
【０１６９】
さらに、水素入口近傍より冷却水を流入させ、水素出口近傍より冷却水を流出させるように構成することもできる。このような構成によれば、水素入口近傍において、加湿された水素に含まれる水分が低温環境下で凍結するのを防止することができる。
【０１７０】
また、図１で示した上記第１実施形態では、ヒータ３２を熱媒体循環経路２０上に設けたが、これに限らず、バイパス経路３０上に設けてもよい。
【０１７１】
また、図１で示した上記第１実施形態では、熱媒体をバイパス経路３０に循環させる流量を調整する流路制御弁３１をバイパス経路３０に設けたが、これに限らず、熱媒体循環経路２０に設けてもよい。例えば、熱媒体循環経路２０における燃料電池１０の出口付近に流路制御弁を設けた場合には、流路制御弁の開度を小さくすることで、バイパス経路３０に循環する熱媒体流量を多くすることができる。
【０１７２】
また、図１で示した上記第１実施形態の構成において、バイパス経路３０を設けない場合であっても、部分暖機運転を行う際に、ヒータ３２で加熱された冷却水の流量を小さくすることで、燃料電池１０の一部を集中的に加熱することが可能となる。
【０１７３】
すなわち、ウォータポンプ２４による冷却水流量を小さくすることで、ヒータ３２で加熱された冷却水が各セル１０ａ内部をゆっくり流れ、燃料電池１０を構成する各セル１０ａの一部が集中的に加熱されることとなる。これにより、上記第１実施形態において、部分暖機運転時にバイパス経路３０を介して冷却水を燃料電池１０の一部を循環させた場合と同様の効果を得ることができる。
【０１７４】
また、上記第１０実施形態では、燃料電池１０の水素極および酸素極の双方に水素および空気酸素の混合ガスを供給するように構成したが、これに限らず
、水素極あるいは酸素極のいずれか一方だけに混合ガスを供給するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】燃料電池を構成するセルの側面図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムの主要部構成を示す概念図である。
【図５】図４において冷却水流れ方向を切り替えた場合を示す概念図である。
【図６】第３実施形態の燃料電池システムの主要部構成を示す概念図である。
【図７】第４実施形態の燃料電池システムの主要部構成を示す概念図である。
【図８】図７において空気流れ方向を切り替えた場合を示す概念図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムの主要部構成を示す斜視図である。
【図１０】第６実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１１】図１０の燃料電池システムの制御タイムチャートである
【図１２】第７実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１３】図１２の燃料電池システムの制御タイムチャートである
【図１４】第８実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１５】図１４の燃料電池システムの制御タイムチャートである
【図１６】第９実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１７】図１６の燃料電池システムの制御タイムチャートである
【図１８】第１０実施形態の燃料電池システムの主要部構成を示す概念図である。
【図１９】図１８の燃料電池システムの制御タイムチャートである
【図２０】図１８の燃料電池システムのセルの側面図である。
【図２１】第１１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２２】第１２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２３】第１３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２４】第１４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２５】第１５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２６】セル内部における冷却水流れ方向の変形例を示すセルの側面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１１…インバータ（電力変換手段）、１２…水素供給装置、１３…空気供給装置、２０…熱媒体循環経路、２１…ラジエータ、２２…ラジエータバイパス経路、２３…温調弁、２４…ウォータポンプ（熱媒体循環手段）、３０…バイパス経路、３１…流路制御弁、３２…ヒータ（加熱手段）、３３…温度センサ、３８…ウォータポンプ（熱媒体循環手段）、１００…制御部。

Claims

積層された複数のセル（１０ａ）を有するとともに、前記セルにて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、
前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれに対して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路（２０）と、
前記熱媒体循環経路（２０）に循環する前記熱媒体の流量を制御する熱媒体循環手段（２４）と、
前記熱媒体を加熱する加熱手段（３２）と、
前記熱媒体循環経路（２０）に設けられ、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路（３０）と、
前記バイパス経路（３０）または前記熱媒体循環経路（２０）の少なくとも一方に、前記熱媒体のバイパス流量を制御する流路制御手段（３１、３８）とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）を暖機運転する際に、前記複数のセル（１０ａ）のすべてにおける一部の部位を集中的に加熱することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）における集中的に加熱される部位の温度（Ｔｆｃ）を検出する温度検出手段（３３）を備え、
前記温度検出手段（３３）により検出された燃料電池温度（Ｔｆｃ）に基づいて、前記加熱手段（３２）による前記熱媒体の加熱量の制御、前記熱媒体循環手段（２４）による前記熱媒体の循環量の制御、および前記流路制御手段（３１）によるバイパス流量の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）の暖機運転を行う際に、
前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より低い場合には、前記熱媒体のすべてを前記バイパス経路（３０）に循環させて、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおける一部の部位のみに循環させ、
前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）が前記所定温度（Ｔｆｂ）より高い場合には、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれに水素および酸素の供給を行うとともに、前記燃料電池温度（Ｔｆｃ）に基づき前記バイパス流量を調整することで、前記セル（１０ａ）の他の部位に対する前記熱媒体の循環量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて、水素あるいは酸素の出口側近傍より前記熱媒体が流入し、水素あるいは酸素の入口側近傍より前記熱媒体が流出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおいて、水素あるいは酸素の入口側近傍より前記熱媒体が流入し、水素あるいは酸素の出口側近傍より前記熱媒体が流出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）により、前記熱媒体を前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれにおける一部の部位のみを循環させている場合に、前記熱媒体の流れ方向を切り替える熱媒体流れ方向切替手段（３４〜３６、２５）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記セル（１０ａ）内において、前記セル（１０ａ）に供給される酸素の流れ方向を切り替える酸素流れ方向切替手段（１６〜１８）を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記セル（１０ａ）内において、前記セル（１０ａ）に供給される水素の流れ方向を切り替える水素流れ方向切替手段を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記熱媒体循環経路（２０）に設けられ、前記熱媒体を冷却する冷却手段（２１）と、
前記熱媒体循環経路（２０）において前記熱媒体冷却手段（２１）と並列的に設けられた加熱経路（２６）と、
前記熱媒体の流路を、前記冷却手段（２１）あるいは前記加熱手段（３２）に切り替える流路切替手段（２７）とを備え、
前記加熱手段（３２）は、前記加熱経路（２６）に設けられており、
前記流路切替手段（２７）により、暖機運転時には前記加熱手段（３２）に前記熱媒体を循環させ、通常運転時には前記冷却手段（２１）に前記熱媒体を循環させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）に循環する前記熱媒体の流量を制御するバイパス経路熱媒体循環手段（３８）を備え、
前記流路制御手段は、前記バイパス経路熱媒体循環手段（３８）であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）における集中的に加熱される部位の燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）を検出する第１の温度検出手段（３３）と、前記燃料電池（１０）全体の燃料電池全体温度（Ｔｆｏ）を検出する第２の温度検出手段（２５）とを備え、
前記燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）および前記燃料電池全体温度（Ｔｆｏ）に基づいて、前記加熱手段（３２）による前記熱媒体の加熱量の制御、前記熱媒体循環手段（２４）による熱媒体循環量の制御、および前記バイパス経路熱媒体循環手段（３８）による熱媒体循環量の制御を行うことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より低い場合には、前記熱媒体循環経路（２０）および前記バイパス経路（３０）における熱媒体流量を一致させ、前記熱媒体のすべてを前記バイパス経路（３０）に循環させて、前記燃料電池（１０）の一部を集中的に加熱し、
前記燃料電池部分温度（Ｔｆｃ）が所定温度（Ｔｆｂ）より高い場合には、前記複数のセル（１０ａ）のそれぞれに水素および酸素を供給を行うとともに、前記燃料電池（１０）に流入する前記熱媒体の温度を所定温度（Ｔｆｉ）に保つように、前記燃料電池（１０）の他の部位に対する前記熱媒体の循環量を調整することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
前記第１の温度検出手段および前記第２の温度検出手段は、前記熱媒体循環経路（２０）における前記バイパス経路（３０）の合流点の下流側に設けられた１つの温度検出手段（２５）からなることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池システム。
前記熱媒体循環手段（２４）が循環させることができる前記熱媒体の最低流量と、前記バイパス経路熱媒体循環手段（３８）が循環させることができる前記熱媒体の最大流量とが一致していることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記加熱手段（３２）は、前記熱媒体循環経路（２０）における前記熱媒体循環手段（２４）と前記燃料電池（１０）との間に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記加熱手段（３２）は、前記燃料電池（１０）の熱媒体入口近傍に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
前記熱媒体循環経路（２０）から分岐した後に再合流する加熱バイパス経路（４０）を備え、前記加熱手段（３２）は前記加熱バイパス経路（４０）に設けられていることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の燃料電池システム。
前記加熱バイパス経路（４０）が前記熱媒体循環経路（２０）に再合流する箇所には前記加熱手段（３２）に流れる前記熱媒体の流量を調整可能な流量調整手段（４１）が設けられていることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）は、前記熱媒体循環経路（２０）の前記燃料電池（１０）の熱媒体流入側における前記熱媒体循環手段（２４）の上流側に接続されていることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）は、前記熱媒体循環経路（２０）の前記燃料電池（１０）の熱媒体流出側と交差しており、前記バイパス経路（３０）と前記熱媒体循環経路（２０）の前記燃料電池（１０）の熱媒体流出側との交差点には四方弁（４２）が設けられ、前記四方弁（４２）は、前記熱媒体循環経路（２０）あるいは前記バイパス経路（３０）を流れる前記熱媒体の流路を前記熱媒体循環経路（２０）あるいは前記バイパス経路（３０）に切り替えることができることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）の配管径は、前記熱媒体循環経路（２０）の配管径より小さいことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記バイパス経路（３０）に設けられ、前記熱媒体を循環させるバイパス経路熱媒体循環手段（３８）を備え、
前記加熱手段（３２）は、前記バイパス経路（３０）に設けられており、
前記流路制御手段は、前記バイパス経路熱媒体循環手段（３８）であり、
前記熱媒体循環手段（２４）による熱媒体循環流量および前記バイパス経路熱媒体循環手段（３８）による熱媒体循環流量を制御することにより、前記熱媒体循環経路（２０）および前記バイパス経路（３０）に循環する熱媒体流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）にて発電した電力を熱エネルギに変換して前記熱媒体を加熱する電気式加熱手段（３９）を備えていることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記複数のセル（１０ａ）のすべてにおける一部の部位を集中的に加熱する際に、前記燃料電池（１０）における水素が供給される水素極あるいは酸素が供給される酸素極の少なくとも一方に、水素および酸素の混合ガスを供給することを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。