JP5470698B2 - 燃料電池システムの運転制御装置及び運転制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、内部加湿気化潜熱冷却タイプの固体高分子型燃料電池を使用する燃料電池システムの運転を制御する装置及び方法に関する。

燃料電池の電解質膜は、湿潤状態で高い発電効率を発揮する。そのため反応ガスに純水を供給して加湿しておくことで、電解質膜の湿潤状態を維持する。

反応ガスに純水を供給する方法は、種々提案されているが、たとえば特許文献１では、触媒反応時に生成された反応水を回収し利用する燃料電池が提案されている。
特開２００５−２８５６９４号公報

しかしながら氷点下で運転しようとすると、反応水は純水であるので凍結してしまってうまく回収できないおそれがある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、反応水を凍結させることなく回収でき氷点下においても運転可能な燃料電池システムの運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、固体高分子型燃料電池(１)を使用する燃料電池システムの運転制御装置であって、燃料電池内部に存在する純水が凍結しない温度になるように冷却水の温度を調整可能な冷却水経路(５００)を備え、前記固体高分子型燃料電池(１)は、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層及びそのアノード電極層に隣設されるシールキャリアと、前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部(１４)と、を備えるカソードセパレータと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、冷却水経路から供給された冷却水によって、凝縮水生成部で、触媒反応によって生成された水分を凝縮するので、反応水を凍結させることなく回収でき氷点下においても運転可能となる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムに使用する燃料電池スタックを示す断面図である。

燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０を積層し、その両側からエンドプレート４０で挟持する構成である。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。

発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１１の表裏面にアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３が積層された構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極層１１ｂが設けられ、もう一方の面にカソード電極層１１ｃが設けられる。ＭＥＡ１１は、極薄であり数十ミクロン厚程度である。

アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂに重なる。アノードセパレータ１２には、アノード電極層１１ｂへの対向面に、アノード電極層１１ｂにアノードガスを供給するアノードガス流路１２ａが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１２ｂが形成される。アノードセパレータ１２は多孔質体である。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。また、多孔質体は、水を透過しやすくするために、親水性であることが望ましい。

カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃに重なる。カソードセパレータ１３には、カソード電極層１１ｃへの対向面に、カソード電極層１１ｃにカソードガスを供給するカソードガス流路１３ａが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部１３ｂが形成される。カソードセパレータ１３は、透水性の多孔質体で形成される。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。アノードセパレータ１２の凹部１２ｂ及びカソードセパレータ１３の凹部１３ｂによって、純水が流れる純水流路が形成される。

図２はアノードセパレータを示す図であり、図２(Ａ)はアノード電極層への対向面、図２(Ｂ)はその裏面である。

アノードセパレータ１２は多孔質体である。図２(Ａ)に示すように、アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂへの対向面に、アノードガス流路１２ａが形成されている。アノードガス流路１２ａは、アノード電極層１１ｂに重なる。アノードガス入口マニホールド２１ａから流入したアノードガスは、アノードガス流路１２ａを流れてアノードガス出口マニホールド２１ｂから流出する。また図２(Ｂ)に示すように、アノードセパレータ１２は、アノード電極層１１ｂへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路１２ｂが形成される。この純水はアノードガス流路１２ａを流れるアノードガスを加湿する。アノードセパレータ１２は、透水性の多孔体である。本実施形態では純水流路１２ｂは、直線流路である。

アノードセパレータ１２に隣設して冷却体１４が設けられる。冷却体１４は、後述のように、凝縮水生成流路１３２ａに重なって凝縮水生成流路１３２ａを流れるカソードガスを冷却する。冷却体１４は高さ(図２の上下長)及び厚さ(図２の奥行長)がアノードセパレータ１２と略同等である。冷却水が流れる冷却水通路１４ａは、冷却体１４に流路が形成されおり、シールキャリアとの間で構成されている。なお冷却水流路１４ａは、アノードガス流路１２ａ及びカソード流路１３ａに冷却水が流出しない構成とすればよい。たとえば、冷却体１４を燃料電池積層方向で２枚のセパレータを重ねることとし、セパレータ間で冷却水流路１４ａを構成してもよい。冷却水入口マニホールド２２ａから流入した冷却水は、冷却水流路１４ａを流れて純水出口マニホールド２２ｂから流出する。冷却体１４は緻密な材料で形成される。このように緻密な材料を使用することにより、冷却水に不凍液を用いた場合でも燃料電池内部に不凍液が漏れて燃料電池の触媒が被毒することを防止できる。具体的な材質としては、たとえばカーボン材料や金属材料などであるが、導電性、熱伝導性、耐久性、積層に耐えうる強度を確保できる材料であればよい。なお緻密材と多孔質材とが連続する複合材を使用して、冷却体１４とアノードセパレータ１２と一体成形してもよい。

図３はカソードセパレータを示す図であり、図３(Ａ)はカソード電極層への対向面、図３(Ｂ)はその裏面である。

図３(Ａ)に示すように、カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃへの対向面に、ガス供給部１３１と、凝縮水生成部１３２と、を備える。

ガス供給部１３１は、カソード電極層１１ｃに重なり、カソード電極層１１ｃにカソードガスを供給する。ガス供給部１３１には、カソードガス流路１３１ａが形成される。カソードガス流路１３１ａには、カソードガス入口マニホールド２３ａからカソードガスが流入する。

凝縮水生成部１３２は、カソード電極層１１ｃへの対向面のカソードガス流路１３１ａの下流に連続する。凝縮水生成部１３２は、冷却体１４に重なる。凝縮水生成部１３２には、凝縮水生成流路１３２ａが形成される。凝縮水生成流路１３２ａは、カソードガス流路１３１ａを流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮するための流路である。凝縮水生成流路１３２ａを流れるカソードガスが、冷却体１４で冷却されると、カソードガス中に含まれる反応水が凝縮する。

また図３(Ｂ)に示すように、カソードセパレータ１３は、カソード電極層１１ｃへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路１３ｂが形成される。本実施形態では純水流路１３ｂは、直線流路である。純水入口マニホールド２４ａから流入した純水は、純水流路１３ｂを流れて純水出口マニホールド２４ｂから流出する。

図４は燃料電池スタックの積層状態を示す図であり、図１のIV-IV断面に相当する。

本発明は、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても燃料電池を運転可能な点に特徴がある。以下ではこれについて説明する。

上述のように、アノードセパレータ１２のアノードガス流路１２ａは、ＭＥＡ１１のアノード電極層１１ｂに重なる。そして冷却体１４がアノードセパレータ１２に隣設される。カソードセパレータ１３は、カソードガス流路１３１ａがＭＥＡ１１のカソード電極層１１ｃに重なり、カソードガス流路１３１ａの下流に凝縮水生成流路１３２ａが連続する。カソードセパレータ１３の凝縮水生成流路１３２ａは、冷却体１４に重なる。

このような構成であるので、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても燃料電池を運転するときに、アノードガス入口マニホールド２１ａからアノードガス流路１２ａにアノードガスを供給し、カソードガス入口マニホールド２３ａからカソードガス流路１３１ａにカソードガスを供給する。すると触媒反応によって発電が生じて発熱し、また水(水蒸気)が生成される。その生成水(水蒸気)はカソードガスとともに下流に流れる。そして冷却体１４の温度が水を凍結させない温度以上になっていれば、凝縮水生成流路１３２ａを流れているカソードガスから液水が凝縮される。この凝縮水(液水)が、カソードガス入口マニホールド２３ａから流れ込んでくるカソードガスを加湿するので、発電を継続できる。このようにして燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても、燃料電池を運転できるのである。

図５は、本発明による燃料電池システムの運転制御装置の構成を説明する図である。

燃料電池システムの運転制御装置１００は、アノードガス経路２００と、カソードガス経路３００と、純水経路４００と、冷却水経路５００と、を含み、コントローラ６００によって作動が制御される。

アノードガス経路２００は、燃料電池スタック１の上流側に、高圧水素タンク２０１と、水素調圧弁２０２と、を備え、燃料電池スタック１の下流側に、水素循環ポンプ２０３と、パージ弁２０４と、を備える。高圧水素タンク２０１は、アノードガスである水素を高圧状態で貯蔵するタンクである。水素調圧弁２０２は、高圧水素タンク２０１の圧力を適当な圧力に減圧調整する。水素循環ポンプ２０３は、水素を循環させる。水素循環ポンプ２０３の下流には水素循環流路２０５が設けられ、未燃焼の水素ガスを再度燃料電池スタック１に供給する。パージ弁２０４は、燃料電池スタック１の内部で電解質膜１１ａを介して、カソード電極層１１ｃからアノード電極層１１ｂへ透過してくる窒素などの不純ガスや、水素循環流路内部で結露した液水を系外へパージする。

カソードガス経路３００は、燃料電池スタック１の上流側に、異物フィルタ３０１と、コンプレッサ３０２と、を備え、燃料電池スタック１の下流側に、圧力調整弁３０３を備える。異物フィルタ３０１は、空気(カソードガス)に含まれる異物を除去する。コンプレッサ３０２は、空気(カソードガス)を圧送して燃料電池スタック１に供給する。圧力調整弁３０３は、空気(カソードガス)の供給圧を調整する。

純水経路４００は、燃料電池スタック１の上流側に、純水タンク４０１と、純水ポンプ４０２と、を備え、燃料電池スタック１の下流側に、パージ弁４０３を備える。純水タンク４０１は、純水を貯蔵するタンクである。純水ポンプ４０２は、純水タンク４０１に貯蔵されている純水を燃料電池へ圧送する。パージ弁４０３は、純水中の気泡をパージする。純水経路内の構成配管、構成部品の表面には、純水の抵抗値を増加させるイオン溶出物を防ぐコーティングを施しておくことが望ましい。また、ここで図示しないが、純水経路を燃料電池下流から純水タンクに再度戻す循環方式としてもよい。

冷却水経路５００は、熱交換器５０１と、冷却水ポンプ５０２と、三方弁５０３と、水温センサ５０４と、を備える。熱交換器５０１は、燃料電池内部の凝縮熱交換によって冷却水が得た熱を外気に放熱する。熱交換器５０１の前方には、熱交換器５０１へ空気を送るファン５０５が設けられる。冷却水ポンプ５０２は、冷却水を循環させる。三方弁５０３は、冷却水が熱交換器５０１へ向かう流路と、熱交換器５０１をバイパスする流路と、を切り替える。水温センサ５０４は、燃料電池入口の冷却水温を検出する。なお冷却水に不凍液を用いることで氷点下環境下でも冷却水を循環可能である。なお図示を省略するが、燃料電池システムの補機類には、冷却が必要なものがある。また燃料電池を車両に搭載した場合は、駆動モータなどのように冷却が必要な部品がある。冷却水経路５００を、このような部品を冷却するための経路と兼用させてもよい。このようにすれば、冷却水経路分の体積増加を抑えることができるとともに、氷点下環境下において燃料電池を速やかに暖機できる。

コントローラ６００は、燃料電池スタック１の運転状態を把握するための電流センサ６０１、電圧センサ６０２、水温センサ５０４などの信号に基づいて、冷却水ポンプ５０２、三方弁５０３、ファン５０５などを制御する。

図６は、本発明による燃料電池システムの運転制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。コントローラ６００は始動信号を検出したら、所定時間(例えば１０ミリ秒)毎に図６の処理を繰り返し実行する。

次に、このフローチャートに沿って本実施形態の燃料電池システムの運転制御装置の具体的な動作を説明する。

ステップＳ１において、コントローラ６００は、水温センサ５０４の信号に基づいて燃料電池入口の冷却水温Ｔｗを検出する。

ステップＳ２において、コントローラ６００は、暖機が必要であるか否かを判定する。具体的には、冷却水温Ｔｗが凍結基準温度Ｔｗｆよりも小さいときには暖機が必要であると判定する。なお凍結基準温度Ｔｗｆは、燃料電池内部に存在する純水が凍結する温度にマージンを考慮した温度である。暖機が必要であればステップＳ３へ処理を移行し、そうでなければステップＳ４へ処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ６００は、暖機制御ルーチンを実行する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ４において、コントローラ６００は、暖機完了後制御ルーチンを実行する。具体的な内容は後述する。

図７は、暖機制御ルーチンのフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ６００は、三方弁５０３をバイパス流路側にする。このようにすることで燃料電池内部を含む冷却水バイパス経路を暖機できる。

ステップＳ３２において、コントローラ６００は、冷却水ポンプ５０２の回転速度を低下させる。これによって燃料電池内部の温度勾配が大きくなり、凍結部位があっても速やかに解凍できる。なお冷却水ポンプ５０２の回転速度を低下させるにとどまらず停止してもよい。

ステップＳ３３において、コントローラ６００は、ファン５０５を停止する。このようにすることで無駄な消費電力を低減する。

図８は、暖機完了後制御ルーチンのフローチャートである。

ステップＳ４１において、コントローラ６００は、冷却水ポンプ５０２の回転速度を所定速度に設定する。この所定速度は、たとえば燃料電池の出力に基づいて決定される。

ステップＳ４２において、コントローラ６００は、燃料電池入口の目標冷却水温Ｔｗｔを設定する。具体的には、たとえば、回収すべき純水量を確保できるような冷却水入口温度と、凍結基準温度Ｔｗｆと、を比較して、高い方を目標冷却水温Ｔｗｔとして設定する。このようにすることで、必要以上に外気への放熱作動しないのでファン等の消費電力を低減できる。

ここで回収すべき純水量を確保できるような冷却水入口温度の算出方法について補足説明する。回収すべき純水量は、燃料電池の電圧値に基づいて求められる純水蒸発量から、燃料電池の電流値に基づいて求められる純水生成量を減算し、さらにマージンを加算して、求められる。そして、冷却水入口温度の算出方法は、まずたとえばカソードセパレータ１３の凝縮水生成部１３２の入口にカソードガス温度センサを設け、カソードガス温度を検出する。このカソードガス温度で相対湿度１００％であると仮定して、凝縮水生成部１３２に流れ込む水蒸気量を算出する。そして、その水蒸気量から回収すべき純水量を差し引いた水蒸気量が排気される温度を、排ガス相対湿度１００％の温度として算出する。その温度、またはその温度にマージンを考慮した温度を、回収すべき純水量を確保するための冷却水入口温度とする。

なおカソードセパレータ１３の凝縮水生成部１３２に流れ込む水蒸気量は、燃料電池の電圧から推定した発熱量がすべて水の蒸発に使用されたと仮定して算出してもよい。

ステップＳ４３において、コントローラ６００は、水温Ｔｗが目標冷却水温Ｔｗｔに達したか否かを判定する。達するまではステップＳ４４へ処理を移行し、達したらステップＳ４５へ処理を移行する。

ステップＳ４４において、コントローラ６００は、三方弁５０３をバイパス流路側にする。

ステップＳ４５において、コントローラ６００は、三方弁５０３を熱交換器側にする。

ステップＳ４６において、コントローラ６００は、三方弁５０３の開度θを検出する。

ステップＳ４７において、コントローラ６００は、三方弁５０３の開度θが最大開度θmaxに達していないか否かを判定する。達するまでは一旦処理を抜け、達したらステップＳ４８へ処理を移行する。

ステップＳ４８において、コントローラ６００は、ファン５０５を回転する。なおファンの回転速度は、燃料電池入口の冷却水温Ｔｗに応じて調整すればよい。

本実施形態によれば、燃料電池の内部に冷却体を形成した。そしてこの冷却体を流れる冷却水の水温が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度を超えるまで、熱交換器をバイパスして冷却水を循環させるようにしたので、速やかに暖機できる。燃料電池では、触媒反応によって発電が生じて発熱し、また水(水蒸気)が生成される。その生成水(水蒸気)はカソードガスとともに下流に流れる。このとき冷却体の温度が水を凍結させない温度以上になっているので、凝縮水生成流路を流れているカソードガスから液水が凝縮される。この凝縮水(液水)が、カソードガス入口マニホールドから流れ込んでくるカソードガスを加湿するので、発電を継続できる。このように、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても、燃料電池を運転できるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、上記においては、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、片面に反応ガス流路が形成され、反対面に冷却水流路が形成されているタイプのもので説明したが、図９に示すように、片面の凹部と反対面の凹部とが交互に並ぶ断面凹凸形状であって、片面の凹部が反応ガスを流すガス流路１２ａ，１３ａであり、反対面の凹部が純水を流す純水流路１２ｂ，１３ｂである波形セパレータであってもよい。

本発明による燃料電池システムに使用する燃料電池スタックを示す断面図である。 アノードセパレータを示す図である。 カソードセパレータを示す図である。 燃料電池スタックの積層状態を示す断面図である。 本発明による燃料電池システムの運転制御装置の構成を説明する図である。 本発明による燃料電池システムの運転制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。 暖機制御ルーチンのフローチャートである。 暖機完了後制御ルーチンのフローチャートである。 セパレータの別形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１０ 発電セル
１１ ＭＥＡ
１１ａ 電解質膜
１１ｂ アノード電極層
１１ｃ カソード電極層
１２ アノードセパレータ(第１のセパレータ)
１２ａ アノードガス流路(第１ガス流路)
１２ｂ 純水流路
１３ カソードセパレータ(第２のセパレータ)
１３１ ガス供給部
１３１ａ カソードガス流路(第２ガス流路)
１３２ 凝縮水生成部
１３２ａ 凝縮水生成流路
１３ｂ 純水流路
１４ 冷却体
１４ａ 冷却水通路
１００ 燃料電池システムの運転制御装置
２００ アノードガス経路
３００ カソードガス経路
４００ 純水経路
５００ 冷却水経路
５０１ 熱交換器
５０２ 冷却水ポンプ(冷却水量調整手段)
５０３ 三方弁(流路切替手段)
５０４ 水温センサ(水温検出手段)
５０５ ファン(風量調整手段)
６００ コントローラ

Claims (9)

1. 固体高分子型燃料電池を使用する燃料電池システムの運転制御装置であって、
   燃料電池内部に存在する純水が凍結しない温度になるように冷却水の温度を調整可能な冷却水経路を備え、
   前記固体高分子型燃料電池は、
   電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層及びそのアノード電極層に隣設されるシールキャリアと、
   前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
   前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、
   前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、
   前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部と、を備えるカソードセパレータと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。
2. 前記冷却水経路は、
   前記冷却体に連通し、その冷却体から流入してきた冷却水と外気との熱交換を可能にする熱交換器と、
   前記熱交換器へ送る風量を調整する風量調整手段と、
   前記熱交換器を循環する冷却水の流量を調整する冷却水量調整手段と、
   前記冷却水が前記熱交換器へ向かう流路と、その熱交換器をバイパスする流路と、を切り替える流路切替手段と、
   前記冷却体へ流入する冷却水の冷却水入口温度を検出する水温検出手段と、
   を備え、
   前記検出した冷却水入口温度に基づいて、前記風量調整手段、前記冷却水量調整手段又は前記流路切替手段の作動を制御する冷却水経路制御手段をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
3. 前記冷却水経路制御手段は、前記検出した冷却水入口温度が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度よりも低い場合は、前記風量調整手段を停止する、又は前記冷却水量調整手段を制御して冷却水の流量を減量する、又は前記流路切替手段を制御して前記冷却水をバイパス流路に流す、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
4. 前記カソードセパレータは、ガス流路面の裏面に形成され、純水を流す純水流路を有し、
   前記凝縮水生成部の反応ガス圧は、前記純水流路の純水圧よりも高圧である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
5. 前記アノードセパレータ又はカソードセパレータは、片面の凹部と反対面の凹部とが交互に並ぶ断面凹凸形状であって、片面の凹部が反応ガスを流すガス流路であり、反対面の凹部が純水を流す純水流路である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
6. 前記冷却体は、内部を流れる冷却水がリークしない緻密な材料で形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
7. 前記アノードセパレータは、多孔質材で形成され、
   前記冷却体は、緻密材で形成され、
   前記アノードセパレータと前記冷却体とが連続するように一体形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
8. 前記冷却水は、不凍液である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
9. 電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層及びそのアノード電極層に隣設されるシールキャリアと、
   前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
   前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、
   前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、
   前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部と、を備えるカソードセパレータと、
   を含む固体高分子型燃料電池と、
   前記冷却体に連通し、その冷却体から流入してきた冷却水と外気との熱交換を可能にする熱交換器と、
   前記熱交換器へ送る風量を調整する風量調整手段と、
   前記熱交換器を循環する冷却水の流量を調整する冷却水量調整手段と、
   前記冷却水が前記熱交換器へ向かう流路と、その熱交換器をバイパスする流路と、を切り替える流路切替手段と、
   前記冷却体へ流入する冷却水の冷却水入口温度を検出する水温検出手段と、
   を含む冷却水経路と、
   を有する燃料電池システムの運転制御装置であって、
   前記検出した冷却水入口温度が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度よりも低い場合は、前記風量調整手段を停止する、又は前記冷却水量調整手段を制御して冷却水の流量を減量する、又は前記流路切替手段を制御して前記冷却水をバイパス流路に流す暖機制御工程と、
   前記検出した冷却水入口温度が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度よりも高い場合には、前記冷却水量調整手段を制御して燃料電池の出力に基づく水量で冷却水を流し、さらに冷却水が流れた状態で、前記冷却水入口温度が目標冷却水温よりも低いときには、前記流路切替手段を制御して前記冷却水をバイパス流路に流し、前記冷却水入口温度が目標冷却水温よりも高いときには、前記流路切替手段を制御して前記冷却水を前記熱交換器に流す暖機完了後制御工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。

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