(57)【要約】      （修正有）【課題】低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させる。【解決手段】電解質膜ＥＬは、アノードセパレータＡＳおよびカソードセパレータＣＳの間に配置されている。また、隣接するアノードセパレータＡＳおよびカソードセパレータＣＳの間には冷却液ＣＬが流動する内部冷却液流路ＩＦが形成されている。内部冷却液流路ＩＦを含む冷却液回路には、燃料電池システムの運転時、すなわち、運転時温度にて、冷却液回路が充満されるように冷却液ＣＬが充填されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却液回路であって、前記燃料電池の運転時温度にて充満するように冷却液が充填されている冷却液回路と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却液回路は、前記燃料電池内の内部冷却液流路と、前記燃料電池外の外部冷却液流路とを備え、前記外部冷却液流路は、冷間時における前記内部冷却液流路の液面よりも低く配置されている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記内部冷却液流路の容積と前記外部冷却液流路の容積の比は１：４である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
前記外部冷却液流路に配置され、内部に気体を収容する可撓性収容体を備えるバッファタンクを備える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
前記外部冷却液流路に配置され、前記燃料電池の始動時には停止されている冷却液ポンプと、
前記燃料電池の温度が所定温度以上になった場合に前記冷却液ポンプを正回転させる制御部とを備える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
前記外部冷却液流路に配置され、前記燃料電池の始動時には停止されている冷却液ポンプと、
前記燃料電池の温度が所定温度以上になった場合に前記冷却液ポンプを逆回転させる制御部とを備える、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムにおける冷却液の充填方法であって、
燃料電池および前記燃料電池を冷却するための冷却回路を前記燃料電池の運転時温度まで加温し、
冷却液を前記燃料電池の運転時温度まで加温し、
前記加温された冷却液を前記冷却液回路に隙間無く充填する、
燃料電池システムにおける冷却液の充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より具体的には、低温始動性に優れた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム、特に間欠運転型の燃料電池システムにおいて、発電に伴い発生する生成水の燃料電池内での凍結を防止、抑制するため、運転停止時に掃気処理を実行してスタック内の残水量を低減する技術が知られている。また、燃料電池システムの運転開始時にヒータによって燃料電池を加熱することにより、あるいは、燃料電池システムを低効率運転させることにより燃料電池内で氷結している生成水を氷解する技術が知られている。さらに、燃料電池を冷却するために燃料電池内を循環する冷却液を蓄熱材によって加温して、燃料電池システムを暖機する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８５６５７号公報
【０００４】
しかしながら、冷却液を加温する従来の技術では、燃料電池および冷却液系全体を氷点以上に昇温するまでに時間を要するという問題があった。この結果、停止時における掃気処理を十分に行う必要があった。
【０００５】
なお、上記課題は、車両に搭載される燃料電池システムに限らず、運転・停止を繰り返す間欠運転型の定置型燃料電池システムにおいても共通する課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の種々の態様を採る。
【０００８】
第１の態様は、燃料電池システムを提供する。第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却液回路であって、前記燃料電池の運転時温度にて充満するように冷却液が充填されている冷却液回路とを備える。
【０００９】
第１の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転時温度にて充満するように冷却液が充填されている冷却液回路を備えているので、運転時温度よりも低い低温始動時には冷却液回路に空間が発生し、低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させることができる。
【００１０】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記冷却液回路は、前記燃料電池内の内部冷却液流路と、前記燃料電池外の外部冷却液流路とを備え、前記外部冷却液流路は、冷間時における前記内部冷却液流路の液面よりも低く配置されていても良い。この場合には、冷間時、冷却液の体積減少に伴う空間の全てまたはほとんどが内部冷却液流路内に形成されるので、さらに、低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させることができる。
【００１１】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記内部冷却液流路の容積と前記外部冷却液流路の容積の比は１：４であっても良い。この場合には、内部冷却液流路内に形成される冷却液の体積減少に伴い生じる空間体積を増大させて、さらに、低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させることができる。
【００１２】
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記外部冷却液流路に配置され、内部に気体を収容する可撓性収容体を備えるバッファタンクを備えても良い。この場合には、内部冷却液流路内に形成される冷却液の体積減少に伴い生じる空間体積を増大させて、さらに、低温始動時における燃料電池システムの昇温性能を向上させることができる。
【００１３】
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記外部冷却液流路に配置され、前記燃料電池の始動時には停止されている冷却液ポンプと、前記燃料電池の温度が所定温度以上になった場合に前記冷却液ポンプを正回転させる制御部とを備えても良い。この場合には、燃料電池における過度の温度上昇を抑制することができる。
【００１４】
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記外部冷却液流路に配置され、前記燃料電池の始動時には停止されている冷却液ポンプと、前記燃料電池の温度が所定温度以上になった場合に前記冷却液ポンプを逆回転させる制御部とを備えても良い。この場合には、燃料電池における過度の温度上昇を抑制することができる。
【００１５】
第２の態様は、燃料電池システムにおける冷却液の充填方法を提供する。第２の態様に係る燃料電池システムにおける冷却液の充填方法は、燃料電池および前記燃料電池を冷却するための冷却回路を前記燃料電池の運転時温度まで加温し、冷却液を前記燃料電池の運転時温度まで加温し、前記加温された冷却液を前記冷却液回路に隙間無く充填することを備える。
【００１６】
第２の態様に係る燃料電池システムにおける冷却液の充填方法によれば、燃料電池の運転時温度まで加温された冷却液を冷却液回路に隙間無く充填するので、当該冷却液回路を備える燃料電池システムにおける低温始動時のの昇温性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】本実施例に係る燃料電池システムの適用例として車両に搭載されている様子を示す説明図である。
【図３】運転時と冷間時とにおける、本実施例に係る燃料電池システムが備える冷却液の液量の相違を模式的に示す説明図である。
【図４】本実施例に係る燃料電池システムにおいてバッファタンクを備えた例を示す説明図である。
【図５】本実施例における冷却液不存在領域の異常昇温を抑制する第１の態様を示す説明図である。
【図６】本実施例における冷却液不存在領域の異常昇温を抑制する第２の態様を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る燃料電池システムについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池システムＦＣは、燃料電池１０、燃料ガス供給系、酸化ガス供給系、冷却系、制御部４０および負荷５０を備えている。なお、本実施例において、反応ガスは、燃料電池１０における電気化学反応に供する燃料ガスおよび酸化ガスの総称である。なお、燃料ガスとしては、例えば、純水素、水素含有量の高い水素リッチガスが含まれ、酸化ガスとしては、例えば、空気（大気）、酸素が含まれる。
【００２０】
燃料電池１０は、燃料ガスが供給されるアノードおよび酸化ガスが供給されるカソードを有する。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられ、燃料電池１０は、電解質膜のそれぞれの面上に、アノード触媒層およびカソード触媒層を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に加えて、アノードガス拡散層、およびカソードガス拡散層を備えていても良い。ＭＥＡまたは、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を備えるＭＥＡは、アノードセパレータおよびカソードセパレータの間に配置され、単位電池を形成する。一のアノードセパレータの裏面（ＭＥＡに対向しない面）および他のカソードセパレータの裏面（ＭＥＡに対向しない面）の間には、冷却回路の一部を構成する内部冷却液流路が形成されている。なお、内部冷却液流路には、各セパレータが積層されることにより構成される冷却液マニホールドを始めとする、燃料電池１０内部の冷却液流路が含まれることは言うまでもない。
【００２１】
電解質層は、固体高分子電解質膜、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を含むフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。各触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を含む。各触媒層は電解質層の表面に塗布されることによって形成されても良く、あるいは、各ガス拡散層に触媒金属を担持させることによって、各ガス拡散層と一体に形成されても良い。各ガス拡散層は、導電性及びガス透過性を有する部材、例えば、カーボン製多孔体、カーボンペーパを用いることができる。
【００２２】
燃料電池１０は、アノードに燃料ガス供給部１００ａおよび燃料オフガス排出部１００ｂ、カソードに酸化ガス供給部１００ｃおよび酸化オフガス排出部１００ｄを備えている。燃料電池１０はさらに、冷却液供給部１００ｅおよび冷却液排出部１００ｆを備えている。
【００２３】
燃料ガス供給系は、水素源１８、燃料ガス供給管１１０、燃料オフガス排出管１１１、燃料オフガス循環管１１２を備えている。水素源１８は、燃料ガスである水素を供給するための水素貯蔵部であり、本実施例では、高圧水素タンクが用いられる。この他に、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブを用いた水素貯蔵部、液体水素を貯蔵する水素貯蔵部が用いられても良い。
【００２４】
燃料電池１０の燃料ガス供給部１００ａと水素源１８とは燃料ガス供給管１１０によって接続されている。燃料ガス供給管１１０には、圧力制御弁２１およびアノード圧力センサ３０１が備えられている。圧力制御弁２１は、水素源１８から燃料電池１０に供給される燃料ガスの圧力を所定の圧力に調整する。また、圧力制御弁２１とは別に、水素源１８から燃料電池１０に対する燃料ガスの供給を許容・停止するための燃料ガス供給封止弁が備えられても良い。
【００２５】
燃料電池１０の燃料オフガス排出部１００ｂには燃料オフガス排出管１１１が接続されている。燃料オフガス排出管１１１にはアノード封止弁２２が備えられている。アノード封止弁２２は、制御部４０によって制御され、開弁状態にて燃料電池１０からの燃料オフガスの排出を許容し、閉弁状態にて燃料電池１０からの燃料オフガスの排出を停止する。アノード封止弁２２は、通常閉弁されており、アノード封止弁２２を定期的に開弁することによって、アノードに滞留している窒素ガス、水蒸気といった非燃料ガスを大気中に排出し、アノードにおける燃料ガスの拡散性を向上して発電効率の回復を図ることができる。
【００２６】
燃料ガス供給管１１０における圧力制御弁２１の下流部と燃料オフガス排出管１１１におけるアノード封止弁２２の上流部とには、燃料オフガス循環管１１２が接続されている。したがって、アノードに対して燃料オフガスを再投入することが可能である。燃料オフガス循環管１１２には、燃料オフガス排出管１１１から流入する燃料オフガスを燃料ガス供給管１１０へ再投入するための燃料オフガス循環ポンプ３２１が備えられている。なお、アノード封止弁２２を備えることなく、燃料電池の燃料オフガス排出部１００ｂに燃料オフガス循環管１１２が直接接続されていても良い。
【００２７】
酸化ガス供給系は、酸化ガス供給管１２０、酸化ガスブロワー３２２、酸化オフガス排出管１２１、マフラ１２２を含んでいる。燃料電池１０の酸化ガス供給部１００ｃには、酸化ガス供給管１２０が接続されており、酸化ガスブロワー３２２と燃料電池１０は、酸化ガス供給管１２０を介して接続されている。燃料電池１０の酸化オフガス排出部１００ｄには、酸化オフガス排出管１２１が接続されている。酸化オフガス排出管１２１には、カソード圧力センサ３０２、マフラ１２２が備えられている。カソード圧力センサ３０２はカソードの圧力を検出し、マフラ１２２はカソードオフガスの排出に伴い発生する排気音を低減する。
【００２８】
燃料電池１０の図示しない出力端子には、負荷５０が接続されている。図２は本実施例に係る燃料電池システムの適用例として車両に搭載されている様子を示す説明図である。
燃料電池システムＦＣが車両６０に搭載されている場合、負荷５０として、例えば、車両６０を駆動するためのモータが用いられる。
【００２９】
冷却系は、冷却液配管１３０、熱交換器１３１、温度センサ３１１および冷却液用ポンプ３２３を含んでいる。燃料電池１０の外部における冷却系は、冷却液回路の一部である外部冷却液流路を構成する。燃料電池１０の冷却液供給部１００ｅおよび冷却液排出部１００ｆと熱交換器１３１とは冷却液配管１３０を介して接続されている。燃料電池１０の冷却液排出部１００ｆと熱交換器１３１との間の冷却液配管１３０には冷却液温度を検出するための温度センサ３１１および冷却液配管３１０内の冷却液を循環させるための冷却液用ポンプ３２３が配置されている。なお、冷却液は冷媒として用いられており、気体と液体との間で相変化することにより、例えば大気との間で熱の授受を行う冷却物質が用いられても良い。
【００３０】
制御部４０は入力される要求出力に応じて燃料電池システムＦＣの動きを制御する。制御部４０は、図示しない中央演算装置（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インターフェースを備えている。制御部４０はＣＰＵがメモリに格納されているプログラムを実行することで、低温始動後に燃料電池１０の内部温度が所定温度を超えた場合の冷却液用ポンプ３２３の駆動、燃料電池システムＦＣの動作を制御する。入出力インターフェース４３は、制御部４０の外部に備えられている各種センサ、アクチュエータと制御部４０とを接続するための信号線が接続されるインターフェースである。本実施例では、入出力インターフェース４３には、圧力制御弁２１、アノード圧力センサ３０１、カソード圧力センサ３０２、温度センサ３１１、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２、冷却液用ポンプ３２３がそれぞれ制御用信号線を介して接続されている。
【００３１】
燃料電池システムＦＣの動作について簡単に説明する。水素源１８に貯蔵されている高圧水素は、圧力制御弁２１によって所定の圧力に減圧された後、燃料ガス供給管１１０および燃料ガス供給部１００ａを介して燃料電池１０のアノードに供給される。燃料ガス供給部１００ａを介して燃料電池内に供給された燃料ガスのうち、起電反応に供されなかった燃料ガスを含む燃料オフガス（アノードオフガス）は、燃料オフガス排出部１００ｂおよび燃料オフガス排出管１１１の一部を介して、燃料オフガス循環管１１２に流動する。燃料オフガス循環管１１２に流動した燃料オフガスは、燃料オフガス循環ポンプ３２１によって燃料ガス供給管１１０へと導かれ、水素源からの水素と共に燃料電池１０に再投入される。なお、アノード封止弁２２は、通常運転時には閉弁状態とされ、燃料電池１０は、燃料オフガスを内部に止めた状態で運転（発電）する。
【００３２】
燃料電池１０のカソードへは、酸化ガスブロワー３２２によって取り込まれた大気（空気）が酸化ガス供給管１２０および酸化ガス供給部１００ｃを介して供給される。
【００３３】
アノードに供給された水素は、アノード触媒層によって水素イオン（プロトン）ど電子とに分離とされ、水素イオンは膜電極接合体を介してカソードに移動し、電子は外部回路を介してカソード触媒層へと移動する。カソードに移動した水素イオンは、カソード触媒層において、カソードに供給された酸素および外部回路を経由した電子と反応し、水が生成される。この一連の反応によって、負荷５０を駆動するための電流を得ることができる。
【００３４】
冷却液配管１３０内の冷却液は、燃料電池１０内で起電反応に伴い発生した熱の一部を奪い、熱交換器１３１において熱の一部を放出する。すなわち、冷却液用ポンプ３２３によって、燃料電池１０と熱交換器１３１との間で冷却液が循環させられることによって、燃料電池１０は所定温度に冷却（または維持）される。
【００３５】
制御部４０は、入力された要求出力、温度センサ３１１によって取得された燃料電池１０の温度に基づいて、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２による燃料オフガス循環量、酸化ガス供給量を調整して、燃料電池１０の運転制御を実行する。
【００３６】
・燃料電池システムにおける冷却液量：
図３は運転時と冷間時とにおける、本実施例に係る燃料電池システムが備える冷却液の液量の相違を模式的に示す説明図である。なお、図３では説明を容易にするために燃料電池１０におけるセパレータ間に形成される内部冷却液流路を模式的に示しているが、内部冷却液流路には、既述のとおり、燃料電池１０内部における冷却液流路が含まれる。
【００３７】
図３において、電解質膜（ＭＥＡ）ＥＬは、アノードセパレータＡＳおよびカソードセパレータＣＳの間に配置（挟持）されている。また、隣接するアノードセパレータＡＳおよびカソードセパレータＣＳの間には冷却液ＣＬが流動する内部冷却液流路ＩＦが形成されている。図３の例では内部冷却液流路ＩＦのみが図示されているが、本実施例では、内部冷却液流路ＩＦを含む冷却液回路に対して、燃料電池システムＦＣの運転時、すなわち、運転時温度にて、冷却液回路が充満されるように冷却液ＣＬが充填されている。
【００３８】
本実施例における冷却液の充填方法について説明する。先ず、少なくとも燃料電池システムＦＣにおける冷却液流路を燃料電池システムＦＣの運転時温度まで加温する。燃料電池システムＦＣの加温は、雰囲気温度を運転時温度とすることによって実現可能である。次に、冷却液を運転時温度まで加温し、冷却液回路に隙間無く充填して冷却液回路を封止する。すなわち、冷却液回路内を加温された冷却液で充満させる。冷却液回路に対する冷却液の充填は、例えば、外部冷却液流路に設けられた冷却液充填口（補充口）を介して行われる。なお、燃料電池システムＦＣの加温にあたっては、運転時温度に加温された加温用の液体または冷却液を冷却液回路に供給しても良い。冷却液回路には、外部からの加温では速やかに加温されない燃料電池１０内部の内部冷却液流路も含まれており、冷却液回路を直接加温することによって、冷却液の充填に要する時間を短縮することができる。
【００３９】
水を除く液体は一般的に、温度の低下と共に体積が減少する特性を有しているので、燃料電池システムＦＣの運転時温度にて、冷却液回路が冷却液によって満たされている場合には、冷間時には冷却液の体積が減少し、内部冷却液流路ＩＦには空間が発生する。例えば、体積膨張率が０．５５×１０-3であるクーラント（ＬＬＣ）を用い、燃料電池システムＦＣの運転温度、例えば、６０度にて、冷却液回路を満たした場合には、氷結が問題となる冷間時、例えば、−３０度にて約５％体積が減少するため、冷却液回路全体において、水位を５％低くすることができる。なお、冷間時とは主に生成水の氷結が問題となる氷点下の温度域を意味するが、燃料電池システムＦＣの始動性の観点からは運転時温度よりも低い、０度〜１５度程度の温度域も含まれる。
【００４０】
また、燃料電池１０の外部冷却液流路の高さを内部冷却液流路ＩＦの高さよりも低くして、体積減少に伴う空間が全て内部冷却液流路ＩＦにおいて発生するようにすれば、内部冷却液流路ＩＦにおける水位を１０％低下させることができる。さらに、外部冷却液流路と内部冷却液流路ＩＦの容積比を４：１まで拡大すると、内部冷却液流路における水位を２５％低下させることができる。なお、燃料電池１０の外部冷却液流路の高さを内部冷却液流路ＩＦの高さよりも低くするとは、少なくとも内部冷却液流路ＩＦの一部が外部冷却液流路の全ての流路よりも鉛直方向に高い位置に配置されていることを意味する。体積減少に伴う空間を全て内部冷却液流路ＩＦに発生させるためには、減少する体積を考慮しない場合には、内部冷却液流路ＩＦの半分から全部が外部冷却液流路の全ての流路よりも鉛直方向に高い位置に配置すれば良く、減少する体積を考慮する場合には、体積減少に応じて外部冷却液流路に対する内部冷却液流路ＩＦの高さを決定すれば良い。
【００４１】
本実施例によれば、冷却液回路には、燃料電池の運転時温度にて充満するように冷却液が充填されているので、冷間時には、冷却液回路に空間が発生する。したがって、冷却回路における冷却液が存在しない領域（冷却液不存在領域）の熱容量を低減することが可能となり、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。すなわち、一般的に、気体の熱容量と液体の熱容量では、液体の熱容量が大きく、気体の温度上昇（温度下降）時間は、液体の温度変化時間に比べて短い。
【００４２】
具体的には、冷却液の循環を停止した状態にて、燃料電池システムＦＣの運転を開始すると、発電と共に内部冷却液流路ＩＦにおける冷却液不存在領域の温度が速やかに上昇し、氷点を超える。この結果、冷却液不存在領域に対応するＭＥＡ（電解質膜、アノード触媒層およびカソード触媒層）、アノードガス拡散層、およびカソードガス拡散層の温度を昇温させることが可能となり、発電反応に伴い発生した生成水によるこれら部材の氷結を抑制または防止することができる。また、氷結によるＭＥＡおよび拡散層の閉塞が抑制または防止されるので、低温時における発電効率を向上させることが可能となると共に、速やかに要求出力に応じた通常運転に移行することができる。さらに、冷却液不存在領域において発生した反応熱によって、内部冷却液流路ＩＦ内の冷却液、外部冷却液流路内の冷却液、冷却液不存在領域以外の領域におけるＭＥＡおよび拡散層が順次、加温され、発電領域を速やかに拡大し、要求される電力を迅速に供給することができる。なお、内部冷却液流路ＩＦの高さを燃料電池２０外部の外部冷却液流路の高さよりも高く配置して、全ての冷却液不存在領域を内部冷却液流路ＩＦに形成することによって、内部冷却液流路ＩＦにおける冷却液不存在領域を拡大することが可能となり、さらに、燃料電池システムの低温始動性、暖機時間の短縮を図ることができる。
【００４３】
また、本実施例によれば、冷却液不存在領域の一部が氷結していても、発電と共に冷却液不存在領域の温度は速やかに上昇し、冷却液不存在領域における発電効率は直ちに上昇する（氷結部位が直ちに解氷する）ので、従来と比較して燃料電池システムの運転停止時における掃気時間を短縮することができる。さらに、燃料電池システムＦＣに対して更なる装置、機器を加えることなく、冷却液不存在領域の温度を速やかに上昇させて燃料電池システムＦＣの低温時始動性を向上させることができる。
【００４４】
・冷却液不存在領域の拡大：
内部冷却液流路ＩＦにおける冷却液不存在領域を拡大するために、外部冷却液流とＯＦにバッファタンクを備えても良い。図４は本実施例に係る燃料電池システムにおいてバッファタンクを備えた例を示す説明図である。
【００４５】
図４に示す、燃料電池システムＦＣは、燃料電池１０内部に内部冷却液流路ＩＦ、外部に内部冷却液流路ＩＦと連通している外部冷却液流路ＯＦを備えている。外部冷却液流路ＯＦには冷却液配管１３０、熱交換器１３１、三方弁１３２、冷却液用ポンプ３２３が備えられている。三方弁１３２は外部冷却液流路ＯＦにおける冷却液の流れを熱交換器１３１を経由する流れ、熱交換器１３１を経由しない流れのいずれかに切り換えるために用いられる。三方弁１３２は制御回路４０と信号線を介して接続されており、低温始動時には、冷却液が熱交換器１３１を経由しないように切り換えられる。冷却液用ポンプ３２３は、載置されている燃料電池１０の鉛直方向上方の冷却液配管１３０上、すなわち、冷却液供給部１００ｅの近傍に配置されており、この態様において冷却液の順循環方向は鉛直方向下方から上方に向かう方向となる。また、載置されている燃料電池１０の鉛直方向下方の冷却液配管１３０上、すなわち、冷却液排出部１００ｆの近傍の冷却液配管１３０上バッファタンク１３５が配置されている。バッファタンク１３５には気体を収容する可撓性の収容体１３６が備えられている。収容体１３６は、例えば、内部に空気等の気体を内包するシリコン製の袋体である。バッファタンク１３５を備えることによって、容易に、外部冷却液流路ＯＦの容積を内部冷却液流路ＩＦの容積よりも大きな容量とすることができる。外部冷却液流路ＯＦの容積を内部冷却液流路ＩＦの容積よりも大きくすることによる利点は既述の通りである。
【００４６】
加えて、バッファタンク１３５内に収容体１３６を備える場合には、収容体１３６の膨張によって、熱に対する液面の変化を大きくさせることができる。すなわち、気体は液体と比較して体積膨張率が高く、同じ温度変化に対しても大きく体積を変化させる。したがって、収容体１３６をバッファタンク１３５内に備えることにより運転時温度には収容体体積が増大するので冷却液回路を充満させる冷却液量を少なくすることが可能となり、冷間時には収容体１３６の体積減少と相まって、冷却液回路（内部冷却液流路ＩＦ）に形成される空間ＥＳを増大させることができる。
【００４７】
なお、バッファタンク１３５内に収容体１３６を備える態様の他に、バッファタンク１３５外に温感式のアクチュエータ、例えば、バイメタルを備え、バッファタンク１３５内に備えられている容積可変機構、例えば、バッファタンク１３５の横断面積に相当する面積を有するピストンを駆動することによってバッファタンク１３５内の容積を温度の増加と共に減少させても良い。また、温感式のアクチュエータに代えて、空気駆動式、油圧駆動式、電気駆動式のアクチュエータを備え、上記ピストンを駆動することによってバッファタンク１３５内の容積を温度の増加と共に減少させるように制御しても良い。
【００４８】
また、バッファタンク１３５に代えて、外部冷却液流路ＯＦの流路長（容積）を可変として、冷間時（運転停止時）には流路長を長く（容積を大きく）、運転時には流路長を短く（容積を小さく）しても良い。例えば、外部冷却液流路ＯＦの途中に流路切替弁を設けて、低温時には迂回流路を接続し、運転時には通常流路を接続することにより、あるいは、低温時には通常流路を接続し、運転時には短絡流路を接続することにより、実現することができる。この場合には、冷却液回路に対する冷却液の充填精度として高い精度が要求されないという利点がある。
【００４９】
・冷却液不存在領域の異常昇温の抑制：
本実施例では、上述のように、冷却液不存在領域の温度が速やかに上昇する。しかしながら、冷却液の循環を停止しているため、冷却液不存在領域の温度が所望の温度を大きく超えてしまう可能性がある。そこで、本実施例では、制御回路４０は、冷却液不存在領域の温度が所定温度を超えた場合には、冷却液不存在領域を冷却するための処理を実行する。以下に、冷却液不存在領域の異常昇温の抑制に関する２つの態様を示す。図５は本実施例における冷却液不存在領域の異常昇温を抑制する第１の態様を示す。図６は本実施例における冷却液不存在領域の異常昇温を抑制する第２の態様を示す。
【００５０】
第１の態様：
図５を参照して第１の態様について説明する。なお基本的な構成は図４を参照して説明済みであるから特徴点を中心に説明する。本態様では、内部冷却液流路ＩＦ（冷却液供給部１００ｅ）との接続部位を除く外部冷却液流路ＯＦが冷間時における内部冷却液流路ＩＦの液面よりも鉛直方向下方に位置するよう配置されている。この結果、冷間時に生じる空間ＥＳは全て内部冷却液流路ＩＦに形成されると共に、冷間時であっても冷却液用ポンプ３２３がエアを噛む事態を回避することができる。
【００５１】
第１の態様では、制御回路４０は冷却液不存在領域の温度が所定温度を以上になると、冷却液用ポンプ３２３を駆動して、冷却液の循環を開始し、冷却液不存在領域に冷却液を供給する。この結果、冷却液不存在領域の温度が低減される。制御回路４０は、冷却液不存在領域の温度が所定温度未満になったところで冷却液用ポンプ３２３の駆動を停止しても良い。なお、所定温度は、燃料電池１０の出力電流と、出力電流をＩ−Ｖ特性線に当てはめて得られた電圧とに基づいて求められる熱量（電力）と、空間ＥＳの熱容量（既知である）とに基づいて算出することができる。
【００５２】
図６を参照して第２の態様について説明する。基本的な構成は図４を参照して説明済みであるから相違点となる配置位置を中心に説明する。第２の態様では、冷却液用ポンプ３２３は、載置されている燃料電池１０の鉛直方向下方の冷却液配管１３０上、すなわち、冷却液排出部１００ｆの近傍に配置されている。また、鉛直方向上方の冷却液配管１３０に冷却液用ポンプ３２３が配置されていないので、鉛直方向上方の冷却液配管１３０の一部は内部冷却液流路ＩＦの液面よりも高い位置に配置されていても良い。
【００５３】
第２の態様では、制御回路４０は、冷却液不存在領域の温度が所定温度以上になると、冷却液用ポンプ３２３を逆回転して、冷却液排出部１００ｆから内部冷却液流路ＩＦを介して冷却液供給部１００ｅに向かって冷却液を循環させる。この結果、内部冷却液流路ＩＦにおける液面が上昇し、冷却液不存在領域に対して冷却液が供給され、冷却液不存在領域の温度が低減される。冷却液不存在領域の温度が所定温度未満になると、制御回路４０は冷却液用ポンプ３２３の逆回転駆動を停止する。制御回路４０は冷却液用ポンプ３２３の逆転駆動を停止後に、冷却液用ポンプ３２３を正回転させて冷却液の循環を開始しても良い。
【００５４】
変形例：
（１）上記実施例では、燃料電池システムＦＣが車両に搭載されている場合を例にとって説明したが、間欠運転を行う固定設置式の燃料電池システムに対しても適用可能であることはいうまでもない。
【００５５】
（２）上記実施例における第１の態様および第２の態様における冷却液用ポンプ３２３の配置位置はそれぞれ逆であっても良い。この場合であっても、第１および第２の態様によって得られる冷却液不存在領域を冷却するという効果は得られる。
【００５６】
（３）上記実施例では、燃料電池システムＦＣの運転温度として６０度を例にとって説明したが、例えば、６０度〜１００度の運転温度が用いられても良い。すなわち、運転温度にて冷却液回路が冷却液によって充満され、冷間時には冷却液の体積減少によって空間が発生すれば良い。
【００５７】
（４）上記実施例では、冷却液として一般的なクーラント（ＬＬＣ）を用いて説明したが、この他にも、防錆性、氷点下での不凍性を備えている冷却液であればクーラントに限られない。
【００５８】
（５）上記実施例では、固体高分子電解質膜型の燃料電池を例にとって説明したが、間欠運転による生成水の氷結が問題となる燃料電池であれば、どのような燃料電池であっても本実施例による効果を得ることができる。
【００５９】
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池
１８…水素源
２１…圧力制御弁
４０…制御部
５０…負荷
６０…車両
１００ａ…燃料ガス供給部
１００ｂ…燃料オフガス排出部
１００ｃ…酸化ガス供給部
１００ｄ…酸化オフガス排出部
１００ｅ…冷却液供給部
１００ｆ…冷却液排出部
１１０…燃料ガス供給管
１１１…燃料オフガス排出管
１１２…燃料オフガス循環管
１２０…酸化ガス供給管
１２１…酸化オフガス排出管
１２２…マフラ
１３０…冷却液配管
１３１…熱交換器
１３２…三方弁
１３５…バッファタンク
１３６…収容体
３０１…アノード圧力センサ
３０２…カソード圧力センサ
３１０…冷却液配管
３１１…温度センサ
３２１…燃料オフガス循環ポンプ
３２２…酸化ガスブロワー
３２３…冷却液用ポンプ
ＦＣ…燃料電池システム
ＩＦ…内部冷却液流路
ＯＦ…外部冷却液流路
ＥＳ…空間
ＣＬ…冷却液
ＡＳ…アノードセパレータ
ＣＳ…カソードセパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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