(57)【要約】【課題】暖機を阻害することなく燃料電池の温度検出性能を向上できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０から排出された冷媒をラジエータ４２で冷却し、燃料電池１０に戻す第１冷媒循環路４１Ａと、第１冷媒循環路４１Ａの冷媒量よりも少なく設定された第２冷媒循環路４１Ｂとを備えている。燃料電池１０を低温起動する場合には、第１冷媒ポンプ４４の駆動を停止した状態において、第２冷媒ポンプ４５を駆動して、燃料電池１０と第２冷媒循環路４１Ｂとの間で冷媒を循環させることにより、温度センサ５２によって燃料電池１０の温度を正確に検出することができ、また燃料電池１０が過度に冷却されることがない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給され発電を行う燃料電池と、
前記反応ガスが流通する反応ガスデバイスと、
前記燃料電池から排出された冷媒を熱交換器で冷却し、前記燃料電池に戻す第１冷媒循環路と、
前記第１冷媒循環路に冷媒を循環させる第１循環手段と、
前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記温度検出手段の検出値に基づいて前記燃料電池の制御を行う燃料電池システムであって、
前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する流量制限手段と、
前記第１冷媒循環路の前記第１循環手段の上流側から分岐して前記第１循環手段の下流側に合流するとともに、前記第１冷媒循環路に比べて冷媒量が少なく設定された第２冷媒循環路と、
前記第２冷媒循環路に冷媒を循環させる第２循環手段と、
前記第２冷媒循環路に配置され、前記反応ガスデバイスと熱交換する熱交換部と、を有し、
前記流量制限手段により前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する際には前記第２冷媒循環路に冷媒を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２冷媒循環路での冷媒の循環を停止するか否かを判定する冷媒循環停止可否判定手段を有し、
前記冷媒循環停止可否判定手段により冷媒の循環を停止すると判定した際には前記第２冷媒循環路における冷媒の循環を停止するとともに、前記第１冷媒循環路のみに冷媒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。
【請求項３】
前記燃料電池を低温起動するか否かを判定する低温起動判定手段を有し、
前記低温起動判定手段により低温起動すると判定された際には、前記流量制限手段により前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限するとともに前記第２冷媒循環路に冷媒を循環させ、
前記低温起動判定手段により低温起動しないと判定された際には、前記第１冷媒循環路の冷媒の流量を制限しないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、発電時における燃料電池の過加熱を防止するために、燃料電池内に冷媒を循環させて燃料電池を冷却する冷却系を備えている。しかし、燃料電池システムが低温（例えば、氷点下）の環境下で起動される場合には燃料電池の暖機を行うことが行われる。しかし、低温環境下でのシステム起動時に冷媒を循環させると、燃料電池が冷却されて暖機が阻害されるため、冷媒の流れを遮断するなどして暖機を促進する技術が提案されている。しかし、燃料電池の温度は、冷媒で検出することが多く行われているため、冷媒の流れを遮断すると燃料電池の温度を検出することができなくなる。そこで、燃料電池の温度を検出するために、冷媒を循環させる冷媒ポンプを間欠的に動作させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５１８０７７号公報（段落００１１、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載のように燃料電池に供給される冷媒を間欠的に循環させると、燃料電池の温度と冷媒の温度とが乖離してしまい、燃料電池の温度を正確に把握することが困難になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機を阻害することなく燃料電池の温度検出性能を向上できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、反応ガスが供給され発電を行う燃料電池と、前記反応ガスが流通する反応ガスデバイスと、前記燃料電池から排出された冷媒を熱交換器で冷却し、前記燃料電池に戻す第１冷媒循環路と、前記第１冷媒循環路に冷媒を循環させる第１循環手段と、前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記温度検出手段の検出値に基づいて前記燃料電池の制御を行う燃料電池システムであって、前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する流量制限手段と、前記第１冷媒循環路の前記第１循環手段の上流側から分岐して前記第１循環手段の下流側に合流するとともに、前記第１冷媒循環路に比べて冷媒量が少なく設定された第２冷媒循環路と、前記第２冷媒循環路に冷媒を循環させる第２循環手段と、前記第２冷媒循環路に配置され、前記反応ガスデバイスと熱交換する熱交換部と、を有し、前記流量制限手段により前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する際には前記第２冷媒循環路に冷媒を流通させることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、第２循環手段により第２冷媒循環路に冷媒を循環させることができるので、第１冷媒循環路における冷媒の循環制限時であっても温度検出手段によって燃料電池の温度検出を正確に行うことができる。したがって、燃料電池の制御を的確に行うことが可能になる。
【０００８】
しかも、第２冷媒循環路に流れる冷媒量が第１冷媒循環路に流れる冷媒量よりも少なくなるように設定されているので、通常発電時に流れる流量の冷媒で燃料電池が冷却されることがないので、燃料電池が過度に冷却されるのを防止することが可能になる。
【０００９】
さらに、燃料電池の発電時の熱で温められて排出された冷媒を熱交換部に流通させて反応ガスデバイスとの間で熱交換が行われるように構成したので、反応ガスデバイスを昇温（凍結時には解氷）することが可能になる。
【００１０】
なお、反応ガスデバイスとは、例えば、燃料電池のアノード側から排出された生成水と反応ガスとを分離する気液分離器、燃料電池のカソード側の圧力を制御する背圧制御弁である。
【００１１】
また、前記第２冷媒循環路での冷媒の循環を停止するか否かを判定する冷媒循環停止可否判定手段を有し、前記冷媒循環停止可否判定手段により冷媒の循環を停止すると判定した際には前記第２冷媒循環路における冷媒の循環を停止するとともに、前記第１冷媒循環路のみに冷媒を循環させることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、冷媒が第２冷媒循環路を流れなくなるので、冷媒が反応ガスデバイスから受け取る熱量がなくなり、燃料電池を冷却する際の冷却性能を向上できる。しかも、第２冷媒循環路に冷媒を無駄に循環させることがないので、第２循環手段によって消費される分の電力を削減できる。なお、冷媒循環停止可否判定手段は、例えば、燃料電池の暖機が完了したか、言い換えると燃料電池の温度が暖機完了の温度に達したかどうかに基づいて判断することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池を低温起動するか否かを判定する低温起動判定手段を有し、前記低温起動判定手段により低温起動すると判定された際には、前記流量制限手段により前記第１冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限するとともに前記第２冷媒循環路に冷媒を循環させ、前記低温起動判定手段により低温起動しないと判定された際には、前記第１冷媒循環路の冷媒の流量を制限しないことを特徴とする。
【００１４】
これによれば、低温起動する場合には第１冷媒循環路における冷媒の流量制限を行うので燃料電池の低温起動性を向上することができ、低温起動しない場合、つまり比較的高い温度で起動（常温で起動）する場合には、流量制限を行わず、燃料電池に冷却に十分な流量の冷媒が供給されるため、燃料電池が過加熱になるのを防止でき、燃料電池の劣化を抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、暖機を阻害することなく燃料電池の温度検出性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御の変形例を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の温度と第１循環ポンプの回転速度との関係を示すマップである。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図６】燃料電池の温度と流量制御弁の開度との関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１Ａ，１Ｂを燃料電池自動車（図示せず）に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、あるいは家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とする様々なものに適用できる。
【００１８】
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷媒系４０、制御系５０などで構成されている。
【００１９】
燃料電池１０は、例えば、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型の燃料電池であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を、一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層し、電気的に直列に接続した構造を有している。なお、ＭＥＡは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノード（水素極）とカソード（酸素極）とで挟んでなる膜電極接合体である。また、アノードに対向するセパレータには、反応ガスとしての水素（燃料ガス）が流通するアノード流路１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータには、反応ガスとしての酸素を含む空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１０ｂが形成されている。また、セパレータには、冷媒が流通する冷媒流路１０ｃが形成されている。
【００２０】
このような燃料電池１０では、アノードに水素が、カソードに空気（酸素）がそれぞれ供給され、水素と酸素との化学反応により発電が可能になり、またカソードでは水が生成される。燃料電池１０から取り出された発電電力（発電電流）は、走行モータ（図示せず）、後記するエアポンプ３１、第１冷媒ポンプ４４、第２冷媒ポンプ４５、蓄電装置（図示せず）などの外部負荷に供給される。
【００２１】
アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに水素（燃料ガス）を供給し、かつ、アノードからアノードオフガス（水素など）を排出するものであり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、気液分離器（反応ガスデバイス）２４、ドレイン弁２５、パージ弁２６、配管ａ１〜ａ７などで構成されている。
【００２２】
また、アノード系２０では、水素タンク２１が、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、エゼクタ２３、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード流路１０ａの入口と接続されている。燃料電池１０のアノード流路１０ａの出口は、配管ａ４、気液分離器２４、配管ａ５を介してエゼクタ２３と接続され、また配管ａ６およびドレイン弁２５を介して車外に連通し、また配管ａ７およびパージ弁２６を介して車外に連通している。
【００２３】
遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、後記するＥＣＵ５１によって開閉制御される。
【００２４】
エゼクタ２３は、水素タンク２１から供給される水素の流れを利用して負圧を発生させ、この負圧によってアノードオフガスを吸引、混合して、再びアノードに供給するようになっている。
【００２５】
気液分離器２４は、重力によって水素と水を分離して、水を貯留する貯留部を有している。さらに説明すると、アノードオフガスとともに流れる生成水が、配管ａ４から気液分離器２４内に導入されることにより、流路断面積が拡大して流速が落ちることによって、アノードオフガスと生成水とが分離して貯留部に生成水が溜まるようになっている。
【００２６】
ドレイン弁２５は、例えば、電磁作動式のものであり、後記するＥＣＵ５１によって定期的に開弁されて、気液分離器２４に貯留した水を車外（システム外部）に排出する。
【００２７】
パージ弁２６は、例えば、電磁作動式のものであり、後記するＥＣＵ５１によって定期的に開弁されて、水素循環路（配管ａ３〜ａ５およびアノード流路１０ａ）に含まれる窒素などの不純物を車外に排出する。なお、窒素などの不純物は、カソードから電解質膜を介してアノードに透過したものである。
【００２８】
カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに空気（酸化ガス）を供給し、かつ、カソードからカソードオフガス（湿潤な空気など）を排出するものであり、エアポンプ３１、背圧制御弁（反応ガスデバイス）３２、配管ｂ１〜ｂ３などで構成されている。
【００２９】
また、カソード系３０では、エアポンプ３１が、配管ｂ１を介して燃料電池１０のカソード流路１０ｂの入口に接続される。また、燃料電池１０のカソード流路１０ｂの出口は、配管ｂ２、背圧制御弁３２、配管ｂ３を介して車外に連通している。
【００３０】
エアポンプ３１は、例えばモータにより駆動される機械式の過給器であり、ＥＣＵ５１の制御により取り込んだ外気（空気）を圧縮して、カソードに供給する。なお、配管ｂ１には、エアポンプ３１からの空気を加湿する加湿器（図示せず）が設けられている。
【００３１】
背圧制御弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調整が可能な弁であり、カソードに供給される圧力を適宜調節するようになっている。
【００３２】
冷媒系４０は、第１冷媒循環路４１Ａと第２冷媒循環路４１Ｂとで構成されている。
【００３３】
第１冷媒循環路４１Ａは、燃料電池１０とラジエータ（熱交換器）４２との間で冷媒を循環させて燃料電池１０を冷却するものであり、配管ｃ１〜ｃ５を備えている。また、第１冷媒循環路４１Ａには、サーモスタット４３、第１冷媒ポンプ（第１循環手段）４４が設けられている。なお、冷媒は、例えば、エチレングリコールを主成分とするものが使用される。
【００３４】
ラジエータ４２は、放熱性の高い金属材料などで形成された配管、フィンなどで構成され、燃料電池１０の発電時に発生する熱で温められた冷媒を放熱させるものであり、配管ｃ１を介して燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２と接続され、配管ｃ２，ｃ４，ｃ５を介して冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１と接続されている。
【００３５】
サーモスタット４３は、配管ｃ２を介してラジエータ４２の冷媒出口と接続され、配管ｃ３を介してラジエータ４２をバイパスする配管ｃ３と接続され、配管ｃ４を介して第１冷媒ポンプ４４と接続されている。また、サーモスタット４３は、冷媒の温度に応じて、冷媒の流路がラジエータ４２側、またはラジエータ４２をバイパスする側に切替わるものである。この切替えは、例えばワックスが温度によって体積を変化させることによりなされるものであってもよく、例えばＥＣＵ５１からの信号により電気的に切替えが行われるものであってもよい。
【００３６】
第１冷媒ポンプ４４は、モータを動力源として冷媒を循環させるものであり、配管ｃ５を介して冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１と接続されている。第１冷媒ポンプ４４は、ＥＣＵ５１によってモータの回転速度が制御されることにより、第１冷媒循環路４１Ａに流れる冷媒の流量が調整される。例えば、モータの回転速度を制限（低下）することにより、第１冷媒循環路４１Ａを流れる冷媒の流量が通常の発電時よりも制限され、または０に設定される。
【００３７】
第１冷媒ポンプ４４がＥＣＵ５１によって駆動されることにより、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２から排出された冷媒が、配管ｃ１、ラジエータ４２、配管ｃ２、配管ｃ４、配管ｃ５を通って、および／または配管ｃ１、配管ｃ３、配管ｃ４、配管ｃ５を通って冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１に戻るように循環する。
【００３８】
第２冷媒循環路４１Ｂは、低温起動時に使用される流路であり、配管ｃ１０〜ｃ１４を備えている。また、第２冷媒循環路４１Ｂは、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２に接続された配管ｃ１から分岐して形成され、気液分離器２４に設けられた熱交換部２４ａおよび背圧制御弁３２に設けられた熱交換部３２ａを通って、冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１に接続された配管ｃ５に合流するように構成されている。
【００３９】
また、第２冷媒循環路４１Ｂ（配管ｃ１０〜ｃ１４）が保有する冷媒量は、例えば、配管径が配管ｃ１〜ｃ５よりも細く、および／または、配管長が第１冷媒循環路４１Ａ（配管ｃ１〜ｃ５）よりも短くなるように形成されて、配管ｃ１〜ｃ５が保有する冷媒量よりも少なくなるように構成されている。つまり、配管ｃ１０〜ｃ１４が保有する冷媒量は、冷媒を循環させたときに、燃料電池１０の起動時における燃料電池１０の昇温（暖機）を阻害しない（速やかに行なう）程度の冷媒量に設定される。
【００４０】
なお、第２冷媒循環路４１Ｂの上流側の分岐部Ｐ１と下流側の合流部Ｐ２は、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２、入口１０ｃ１の近傍に配置することが、第２冷媒循環路４１Ｂの冷媒量を少なくする点において有効である。
【００４１】
また、第２冷媒循環路４１Ｂには、第２冷媒ポンプ（第２循環手段）４５、逆止弁４６、熱交換部２４ａ，３２ａが設けられている。
【００４２】
第２冷媒ポンプ４５は、モータを動力源として冷媒を循環させるものであり、配管ｃ１０を介して配管ｃ１と接続され、配管ｃ１１を介して熱交換部３２ａの入口と接続されている。熱交換部３２ａの出口は、配管ｃ１２を介して熱交換部２４ａの入口と接続され、熱交換部２４ａの出口は、配管ｃ１３を介して逆止弁４６と接続されている。逆止弁４６は、配管ｃ１４を介して配管ｃ５と接続されている。
【００４３】
第２冷媒ポンプ４５がＥＣＵ５１によって駆動されることにより、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２から排出された冷媒が、配管ｃ１、配管ｃ１０、配管ｃ１１、熱交換部３２ａ、配管ｃ１２、熱交換部２４ａ、配管ｃ１３、配管ｃ１４、配管ｃ５を介して冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１に戻るように循環する。
【００４４】
逆止弁４６は、配管ｃ１３から配管ｃ１４に向かう冷媒の通流のみを許容する弁で構成され、第１冷媒ポンプ４４が駆動されたときに、冷媒が第２冷媒循環路４１Ｂを逆流しないようになっている。
【００４５】
熱交換部２４ａは、冷媒が流通することにより、気液分離器２４と冷媒との間で熱交換を行うもの、つまり冷媒の熱で気液分離器２４を温めるものであり、例えば、気液分離器２４をいわゆるウォータジャケットと称される流路で覆った構成である。
【００４６】
同様に、熱交換部３２ａについても、背圧制御弁３２と冷媒との間で熱交換を行うもの、つまり冷媒の熱で背圧制御弁３２を温めるものであり、例えば、背圧制御弁３２をいわゆるウォータジャケットと称される流路で覆った構成である。
【００４７】
制御系５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）５１、温度センサ（温度検出手段）５２などで構成されている。温度センサ５２は、燃料電池１０の温度（以下、ＦＣ温度と略記する）を検出するものであり、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２近傍の配管ｃ１に設けられている。
【００４８】
ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成されている。
【００４９】
流量制限手段は、第１冷媒循環路４１Ａを流れる冷媒の流量を制限する手段であり、第１冷媒ポンプ４４のモータの回転速度を制限して、第１冷媒循環路４１Ａと燃料電池１０との間で冷媒が循環しないようになっている。なお、図１に示す燃料電池システム１Ａでは、ＥＣＵ５１の制御によって流量制限手段が構成され、図５に示す後記する燃料電池システム１Ｂでは、流量制御弁４７とＥＣＵ５１によって流量制限手段が構成されている。
【００５０】
冷媒循環停止可否判定手段は、第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御を停止するか否かを判断する手段であり、例えば、燃料電池システム１Ａの起動時に行われる暖機処理が完了したか否かによって判断できる。なお、暖機処理とは、例えば、常温で起動する場合の通常流量より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気を供給して、燃料電池１０における自己発熱量を高めるようなものであってもよく、常温で起動する場合の流量、圧力の空気を供給するものであってもよい。暖機完了の判断は、ＦＣ温度に基づいて判断することができ、ＦＣ温度が所定温度以上となったときに暖機完了と判断できる。
【００５１】
低温起動判定手段は、燃料電池１０を低温起動するか否かを判定する手段であり、例えば、ＦＣ温度に基づいて判断できる。ＦＣ温度が所定温度（例えば、氷点下）以下であるときに燃料電池１０を低温起動すると判断する。なお、ＦＣ温度に限定されるものではなく、例えば、アノード側の出口温度、カソード側の出口温度、外気温度などに基づいて判定してもよい。
【００５２】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について図２を参照して説明する。運転者によって車両のイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）にされると、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０において、燃料電池１０を低温起動するか否か、つまり燃料電池１０を暖機運転するか否かを判断する（低温起動判定手段）。ステップＳ１０において、ＥＣＵ５１は、低温起動すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０に進み、フラグ「１」を設定し、低温起動しない、つまり通常起動（常温起動）すると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０に進み、フラグ「０」を設定する。なお、設定したフラグは、ＲＡＭに記憶される。
【００５３】
そして、ステップＳ４０に進み、ＥＣＵ５１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）１０の発電を開始する。すなわち、ＥＣＵ５１は、遮断弁２２を開いて水素タンク２１からアノードに水素を供給し、エアポンプ３１を駆動してカソードに空気を供給することにより発電を開始する。
【００５４】
そして、ステップＳ５０に進み、ＥＣＵ５１は、ＲＡＭに記憶されたフラグを参照して、フラグが「１」であるかどうかを判断し、フラグが「１」である場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６０Ａに進み、フラグが「０」である場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０に進む。
【００５５】
フラグが「１」である場合、ステップＳ６０Ａにおいて、ＥＣＵ５１は、第１冷媒循環路４１Ａに冷媒を循環させるのを制限する循環制限制御を開始する。すなわち、ＥＣＵ５１は、第１冷媒ポンプ４４が停止して、第１冷媒循環路４１Ａ（ラジエータ４２）と燃料電池１０との間で冷媒が循環しないように制御する。これにより、第１冷媒循環路４１Ａ（ラジエータ４２）を通ることによって過度に冷却された冷媒が燃料電池１０内を循環することがなくなる。
【００５６】
そして、ステップＳ７０に進み、ＥＣＵ５１は、第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒を循環させる循環制御を開始する。すなわち、ＥＣＵ５１は、第２冷媒ポンプ４５を駆動して、第２冷媒循環路４１Ｂと燃料電池１０との間で冷媒が循環するように制御する。本実施形態では、第２冷媒循環路４１Ｂを流れる冷媒量が第１冷媒循環路４１Ａを流れる冷媒量よりも少なく設定されているので、第２冷媒循環路４１Ｂを通過した冷媒が燃料電池１０内に導入されたとしても、燃料電池１０が過度に冷却されることはない。
【００５７】
また、燃料電池１０の発電時の熱で温められた冷媒が熱交換部３２ａ，２４ａに導入されることにより、冷媒と背圧制御弁３２との間、および冷媒と気液分離器２４との間で、それぞれ熱交換が行われ、冷媒が保持する熱によって背圧制御弁３２および気液分離器２４が温められる。
【００５８】
そして、ステップＳ８０に進み、ＥＣＵ５１は、温度センサ５２によってＦＣ温度を検出する。第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒を流すことにより、燃料電池１０内を冷媒が連続して流れるようになるので、ＥＣＵ５１が温度センサ５２の検出値を監視することにより、ＦＣ温度を正確に検出することが可能になる。
【００５９】
そして、ステップＳ９０に進み、ＥＣＵ５１は、第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御を停止させることが可能であるかを判断する（冷媒循環停止可否判定手段）。なお、この場合、ＦＣ温度（温度センサ５２で検出した冷媒温度）が所定温度（例えば、１５℃）以上になったかどうかによって判断できる。ステップＳ９０において、ＥＣＵ５１は、ＦＣ温度が所定温度以上ではないと判断したときには（Ｎｏ）、ステップＳ８０の処理に戻り、ＦＣ温度が所定温度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１００に進む。
【００６０】
ステップＳ１００において、ＥＣＵ５１は、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒循環制限制御を終了（解除）する。
【００６１】
そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ５１は、第１冷媒循環路４１Ａに冷媒を循環させる循環制御を開始する。すなわち、ＥＣＵ５１は、第１冷媒ポンプ４４のモータの回転速度を通常運転時（定格運転時）に設定された回転速度に設定する。これにより、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒の循環が開始され、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２から排出された冷媒が、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４，ｃ５を通って冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１に戻るように循環する。さらに、冷媒の温度が上昇した場合には、サーモスタット４３によって流路が切り替わり、燃料電池１０とラジエータ４２との間で冷媒が循環するようになる。
【００６２】
そして、ステップＳ１２０に進み、ＥＣＵ５１は、第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御を停止する。すなわち、ＥＣＵ５１は、第２冷媒ポンプ４５の駆動を停止して、第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒が流れないようになる。
【００６３】
なお、第２冷媒循環路４１Ｂには逆止弁４６が設けられているので、第１冷媒循環路４１Ａと燃料電池１０との間での冷媒の循環が開始されたとしても、冷媒が合流部Ｐ２から配管ｃ１４側に逆流することはなく、また第２冷媒ポンプ４５が停止しているので、分岐部Ｐ１から配管ｃ１０側に流入することもない。
【００６４】
一方、ステップＳ５０においてフラグが「０」である場合（Ｎｏ）、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５１は、第１冷媒循環路４１Ａに冷媒を循環させる循環制御を開始する。つまり、低温起動を行わない場合には、第１冷媒循環路４１Ａの冷媒の流量を制御することなく（第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒を循環させることなく）、直ちに第１冷媒ポンプ４４を駆動して、第１冷媒循環路４１Ａに冷媒を循環させる。
【００６５】
そして、ステップＳ１４０に進み、ＥＣＵ５１は、ＦＣ温度を温度センサ５２によって検出する。
【００６６】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池１０との間で冷媒が循環する第２冷媒循環路４１Ｂを設けて、低温起動時などに第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒を循環させることで、第１冷媒循環路４１Ａの冷媒循環制限時であっても温度センサ５２によってＦＣ温度の検出を行うことができ、しかも冷媒を連続的に循環させているのでＦＣ温度を正確に検出することが可能になる。したがって、従来と比較して温度検出性能を向上させることができる。
【００６７】
さらに、第１実施形態によれば、第２冷媒循環路４１Ｂに流れる冷媒量が第１冷媒循環路４１Ａに流れる冷媒量よりも少なくなるように設定されているので、燃料電池１０の低温起動時などに燃料電池１０が過度に冷却されて燃料電池１０の暖機が阻害されるのを防止することが可能になる。
【００６８】
さらに、第１実施形態によれば、燃料電池１０から排出された温かい冷媒を熱交換部２４ａ，３２ａに流通させて反応ガスデバイス（気液分離器２４、背圧制御弁３２）との間で熱交換が行われるように構成したので、反応ガスデバイスを昇温させることができ、またこれら反応ガスデバイスが凍結している場合にあっては解氷させることが可能になり、反応ガスデバイスの暖機性能を向上できる。
【００６９】
さらに、第１実施形態によれば、冷媒循環停止可否判定手段（Ｓ９０）により、冷媒が第２冷媒循環路４１Ｂを流れなくなるので（Ｓ１２０）、冷媒が反応ガスデバイスから受け取る熱量がなくなり、反応ガスデバイスによって温められた冷媒が燃料電池１０に戻ることがなく、燃料電池１０を冷却する際の冷却性能を向上できるようになる。しかも、第２冷媒循環路４１Ｂに冷媒を無駄に循環させることがないので、第２冷媒ポンプ４５を駆動させるための電力を削減でき、省電力化を図ることが可能になる。
【００７０】
さらに、第１実施形態によれば、低温起動判定手段（Ｓ１０）により、燃料電池１０を低温起動する場合には第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒の流量制限を行うので燃料電池１０の低温起動性を向上することができ、逆に低温起動しない場合には冷媒の流量制限を行わないので燃料電池１０が過加熱になるのを防止でき、燃料電池１０の劣化を抑制することが可能になる。
【００７１】
図３は第１実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御の変形例を示すフローチャート、図４は燃料電池の温度と第１循環ポンプの回転速度との関係を示すマップである。なお、図３に示すフローチャートは、図２に示すフローチャートのステップＳ６０ＡをステップＳ６０Ｂに替え、さらにステップＳ１００，Ｓ１１０を削除した点が相違している。また、図２と同様な処理については、同一のステップ符号を示し、重複した説明を省略する。
【００７２】
すなわち、ステップＳ６０Ｂは、低温起動を行うと判断した場合（Ｓ５０，Ｙｅｓ）であり、このときＥＣＵ５１は、図４のマップに基づいて第１冷媒ポンプ４４を駆動して、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒循環制限制御を開始する。図４に示すマップは、ＦＣ温度が高くなるにしたがってモータの回転速度が高く設定される。なお、このマップは、予め実験やシミュレーション等によって決定され、燃料電池１０の低温起動時に暖機が損なわれない、または第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御停止時に燃料電池１０が過加熱にならない回転速度となるように設定される。
【００７３】
なお、図３のステップＳ７０では、第２冷媒循環路４１Ｂを流れる冷媒の流量が一定となるように、ＥＣＵ５１によって第２冷媒ポンプ４５の回転速度が制御される。
【００７４】
また、温度センサ５２の検出値が、第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御を停止可能な温度に到達した場合には（Ｓ９０、Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１によって第２冷媒ポンプ４５の駆動を停止して、第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環を停止させる。
【００７５】
（第２実施形態）
図５は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図６は燃料電池の温度と流量制御弁の開度との関係を示すマップである。この燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａにおいて、エアポンプ３１の回転軸と第１冷媒ポンプ４４の回転軸とが単一のモータに接続された同軸構造としたものである。つまり、モータが駆動されることにより、エアポンプ３１と第１冷媒ポンプ４４とが共に動作して、カソードに空気が供給されるとともに第１冷媒循環路４１Ａに冷媒が流通するようになる構造である。また、燃料電池システム１Ｂは、冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１と第１冷媒ポンプ４４との間の配管ｃ６，ｃ７に流量制御弁４７を備える点において、燃料電池システム１Ａと異なっている。なお、第２実施形態では、流量制御弁４７とＥＣＵ５１とで流量制限手段が構成されている。また、その他の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７６】
流量制御弁４７は、第１冷媒循環路４１Ａを流れる冷媒の流れを制限するものであり、例えば、開度調整が可能なバタフライ弁で構成され、配管ｃ６を介して第１冷媒ポンプ４４と接続され、配管ｃ７を介して冷媒流路１０ｃの入口１０ｃ１と接続されている。
【００７７】
第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの動作については、図２および図３に示すフローチャートを適用することができ、図２に示すフローチャートを適用した場合には、ステップＳ６０Ａにおいて、ＥＣＵ５１によって流量制御弁４７が全閉（最小開度）に設定される。これにより、エアポンプ３１と共に第１冷媒ポンプ４４が駆動したとしても、第１冷媒循環路４１Ａに冷媒が流れないようになっている。また、ステップＳ１００において、ＥＣＵ５１によって流量制御弁４７が全開（最大開度）に設定され、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒の循環制限制御が終了する（解除される）。
【００７８】
一方、図３に示すフローチャート（変形例）を適用した場合には、ステップＳ６０Ｂにおいて、ＥＣＵ５１によって流量制御弁４７の開度がＦＣ温度に応じて設定される。すなわち、図６のマップに基づいて流量制御弁４７の開度を制御して、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒循環制限制御を行う。図６に示すマップは、ＦＣ温度が高くなるにしたがって開度が大きく設定される。なお、このマップは、予め実験やシミュレーション等によって決定され、燃料電池１０の低温起動時に暖機が損なわれない、または第２冷媒循環路４１Ｂにおける冷媒の循環制御停止時に燃料電池１０が過加熱にならない開度となるように設定される。
【００７９】
第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、第１冷媒循環路４１Ａにおける冷媒の循環制限制御時であっても、燃料電池１０の発電によってエアポンプ３１と第１冷媒ポンプ４５とを駆動する電力を供給して、燃料電池１０がより高い出力で発電しているので、燃料電池１０の発熱量が上がり、燃料電池１０の暖機性能を向上できる。
【００８０】
なお、本実施形態では、第２冷媒循環路４１Ｂの冷媒が背圧制御弁３２（反応ガスデバイス）の熱交換部３２ａを通った後に気液分離器２４（反応ガスデバイス）の熱交換部２４ａを通る場合を例に挙げて説明したが、冷媒が通過する順番はこれに限定されるものではなく、より暖機が必要な反応ガスデバイスに冷媒が先に流れるようにしてもよい。
【００８１】
また、熱交換部２４ａ，３２ａを設ける反応ガスデバイスとして、気液分離器２４と背圧制御弁３２を例に挙げて説明したが、これらに限定されるものではなく、低温時の凍結度合いに応じて種々変更することができる。例えば、ドレイン弁２５やパージ弁２６などに熱交換部を設けて暖機するようにしてもよく、あるいは図示していないが、カソード系３０に設けられた加湿器に熱交換部を設けて暖機するようにしてもよい。
【００８２】
また、第２冷媒循環路４１Ｂの分岐部Ｐ１と合流部Ｐ２の位置を、冷媒流路１０ｃの出口１０ｃ２、入口１０ｃ１の近傍に設定したが、この位置に限定されるものではなく、例えば分岐部Ｐ１の位置が第１冷媒ポンプ４４の上流側であれば配管ｃ３などの位置であってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
２４    気液分離器（反応ガスデバイス）
２４ａ  熱交換部
３２    背圧制御弁（反応ガスデバイス）
３２ａ  熱交換部
４１Ａ  第１冷媒循環路
４１Ｂ  第２冷媒循環路
４２    ラジエータ（熱交換器）
４４    第１冷媒ポンプ（第１循環手段）
４５    第２冷媒ポンプ（第２循環手段）
４７    流量制御弁（流量制限手段）
５１    ＥＣＵ（流量制限手段、冷媒循環停止可否判定手段、低温起動判定手段）
５２    温度センサ（温度検出手段）
ｃ１〜ｃ７  配管
ｃ１０〜ｃ１４  配管
【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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