(57)【要約】【課題】  この発明は、燃料電池システムに関し、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができ、更に、不凍液と水を分離する分離機構に対して過剰な負担をかけないことを目的とする。【解決手段】  燃料電池１０を設ける。燃料電池１０を純水の冷却水で冷却するための循環経路１２，１４，１８，２８，２６，３４，４２を設ける。燃料電池１０に供給される反応ガスAirを冷却水により加湿する加湿部１６を設ける。燃料電池１０の運転停止中であり、かつ、冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、循環経路から冷却水を回収して不凍液タンク３０に貯留する。冷却水と不凍液との分離が要求される場合には、分離膜ユニット３８により、不凍液タンク３０内の混合液から純水を分離する。【選択図】      図１
2005228477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却水分離機構は、前記加湿機構が前記反応ガスを加湿する場合に冷却水を不凍液から分離することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却機構は、前記燃料電池を含む冷却水循環経路を含み、
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開平８−１８５８７７号公報に開示されているように、冷却機構と加湿機構を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、その内部に配置される電解質が適度な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。上記従来のシステムによれば、加湿機構を用いて電解質を加湿することができるため、燃料電池を効率的に作動させることができる。また、燃料電池における電極反応は発熱反応であるため、安定した運転状態を持続させるためには、その内部を冷却することが必須である。上記従来のシステムによれば、冷却機構を用いることで、その要求を満たすことができる。
【０００３】
ところで、燃料電池の加湿には、種々の不都合を避けるため、純水を用いることが必要である。一方、冷却水の凍結を避けるためには、冷却水に不凍液を混合しておくことが必要である。そこで、上記従来のシステムは、燃料電池の冷却経路には不凍液を含む冷却水を循環させ、その一方で、不凍液と水とを分離する装置を用いて、不凍液を含む冷却水から分離した純水により電解質を加湿することとしている。
【０００４】
このような構成によれば、不凍液を含む冷却水の供給・循環機構と、不凍液を含まない純水の供給・循環機構とを別個独立に準備するのを避けつつ、加湿に関する要求と、凍結防止に関する要求の双方を満たすことができる。この点、上記従来のシステムは、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させ得るという優れた特長を有するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８５８７７号公報
【特許文献２】特開平６−２２３８５５号公報
【特許文献３】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献４】特開平５−１９０１９３号公報
【特許文献５】特開２００３−２３４１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来のシステムでは、燃料電池の作動中常に、不凍液と純水とを分離する分離機構を稼働させておくことが必要である。分離機構の劣化は、その稼働時間が長いほど当然に進行し易い。このため、上記従来のシステムは、分離機構を早期に劣化させ易いという特性を有するものであった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができ、更に、不凍液と水を分離する分離機構に対して過剰な負担をかけることのない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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記冷却水分離機構は、前記加湿機構が前記反応ガスを加湿する場合に冷却水を不凍液から分離することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記冷却機構は、前記燃料電池を含む冷却水循環経路を含み、
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、燃料電池の作動中は、冷却水として純水を流通させつつ、その純水により反応ガスを加湿することができる。このため、本発明によれば、冷却水の経路と加湿用の純水の経路とを別個独立に準備することなく、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができる。また、本発明によれば、燃料電池の停止中に、純水の冷却水が凍結すると予想される場合には、その冷却水を不凍液と混合することで冷却水の凍結を防止することができる。そして、その場合は、冷却水分離機構により純水を不凍液から分離することで、加湿用の純水を準備することができる。更に、本発明によれば、純水の冷却水は、その凍結が予想される低温環境下でのみ不凍液と混合されるため、冷却水分離機構が担うべき負担が小さくなり、その劣化を十分に抑制することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、加湿機構による反応ガスの加湿が要求される場合に、冷却水を不凍液から分離することができるため、必要な純水を、無駄なく確実に準備することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、低温環境下では、冷却水循環経路内の冷却水を不凍液タンクに回収し、その内部に不凍液と冷却水の混合液を貯留することができる。このため、本発明によれば、冷温環境下で冷却水循環経路内に冷却水が残存するのを避けることができ、かつ、冷却水循環経路内に不凍液の成分が混入するのを確実に避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステムのハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、例えば車両などに搭載した状態で用いることができる。このシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、水素ガスH２や空気Airなどを反応ガスとして電力を発生する電解質および電極（何れも図示せず）を内蔵している。
【００１５】
電力の生成に伴って燃料電池１０の内部で生ずる反応は発熱反応である。このため、燃料電池１０の内部には、電極の周辺を冷却するための冷却水通路（図示せず）が設けられている。そして、その冷却水通路には、燃料電池１０に外付けされた管路１２，１４が連通している。管路１２，１４および上記の冷却水路には、後述の如く、純水の冷却水を流通させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の過熱を有効に防ぐことができる。
【００１６】
また、燃料電池１０には、その外部または内部に、加湿部１６が組み付けられている。加湿部１６は、管路１４を流れる冷却水を使って、燃料電池１０に供給される反応ガスを加湿することができる。燃料電池１０は、反応ガスが適度な湿潤状態にあると良好な発電特性を示す。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０に、効率的に電力を生成させることができる。
【００１７】
管路１４は、ポンプ１８の吸入口に連通している。ポンプ１８は、その駆動源としてモータ２０を備えている。ポンプ１８の吐出口は、管路２２を介して第１切替弁２４に連通している。第１切替弁２４には、リザーブタンク２６に通じる管路２８と不凍液タンク３０に通じる管路３２とが連通している。
【００１８】
第１切替弁２４は、外部から供給される指令に応じて３つの状態を選択的に実現する電磁弁である。すなわち、第１切替弁２４は、具体的には、管路２２をリザーブタンク２６に連通させる第１状態、管路２２を不凍液タンク３０に連通させる第２状態、および管路２２を何れのタンクからも切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。
【００１９】
リザーブタンク２６は、管路３４を介して第２切替弁３６に連通している。一方、不凍液タンク３０は、分離膜ユニット３８と管路４０を介して、同じく第２切替弁３６に連通している。第２切替弁３６には、更に、上述した管路１２に通じる熱交換器４２が連通している。
【００２０】
第２切替弁３６は、第１切替弁２４と同様に、外部からの指令に応じて３つの状態の何れかを選択的に実現する電磁弁である。第２切替弁３６によれば、具体的には、リザーブタンク２６を熱交換器４２と導通させる第１状態と、分離膜ユニット３８を熱交換器４２に導通させる第２状態と、熱交換器４２をそれらの双方から切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。
【００２１】
不凍液タンク３０の内部には、エチレングリコールやグリセリンなどを含む不凍液が水と混合された状態で貯留されている。分離膜ユニット３８は、不凍液と水との混合液から水のみを分離する分離膜、つまり水を含む不凍液から純水を分離することのできる分離膜を内蔵している。このような分離膜は、例えば、特開平８−１８５８７７号公報に開示されている限外ろ過膜などにより実現することができる。
【００２２】
このため、分離膜ユニット３８の下流に位置する管路４０には、不凍液を含まない純水の冷却水が流出する。図１に示すシステムにおいて、不凍液タンク３０と分離ユニット３８を除く他の全ての領域には、管路４０の内部と同様に、不凍液を含まない純水の冷却水が流通する。つまり、熱交換器４２、燃料電池１０内の冷却水通路、更にはポンプ１８などには、純水の冷却水が流通する。また、リザーブタンク２６にも、不凍液を含まない純水の冷却水が貯留される。
【００２３】
図１に示すシステムは、CPU５０を備えている。CPU５０は、本実施形態の燃料電池システムの作動を制御するためのユニットである。CPU５０には、２つの温度センサ５２，５４の出力、内部温度センサ５６の出力、更には外気温度センサ５８の出力などが供給されている。温度センサ５２，５４は、それぞれ燃料電池１０に流入する冷却水の温度、および燃料電池１０から流出してきた冷却水の温度を検出するセンサである。内部温度センサ５６は、燃料電池１０の内部温度を検出するセンサである。また、外気温度センサ５８は、燃料電池１０を取り巻く外気の温度を検出するセンサである。
【００２４】
CPU５０には、更に、ポンプの動力源であるモータ２０、第１切替弁２４、および第２切替弁３６などが接続されている。CPU５０は、上述した各種センサの出力に基づいて、それらのアクチュエータを適当に駆動することができる。
【００２５】
［実施の形態１のシステムの動作］
（通常運転時の動作）
以下、図２乃至図４を参照して、本実施形態のシステムの動作について説明する。図２は、本実施形態のシステムの「通常運転時」の状態を示す。本実施形態のシステムは、燃料電池１０の作動が開始された後、燃料電池１０の内部温度が適当な温度に達すると、その後通常運転を開始する。
【００２６】
通常運転時には、第１切替弁２４が、ポンプ１８をリザーブタンク２６に導通させる状態（第１状態）に制御されると共に、第２切替弁３６が、リザーブタンク２６を熱交換器４２に導通させる状態（第１状態）に制御される。その結果、本実施形態のシステムの中には、熱交換器４２→燃料電池１０→ポンプ１８→リザーブタンク→熱交換器４２の経路を辿る循環経路が形成される。つまり、不凍液タンク３０および分離膜ユニット３８を含まない循環経路が形成される。
【００２７】
通常制御は、上記の循環経路の中に、純水の冷却水が十分に存在している状況下で開始される。また、通常制御の実行中は、ポンプ１８が作動状態とされる。その結果、通常制御によれば、図２に示すように、上記の循環経路の中に、十分な量の純水を循環させることができる。
【００２８】
熱交換器４２は、その内部を流通する媒体を冷却することができる。上記の循環経路によれば、熱交換器４２によって冷却された後の低温の冷却水（純水）を燃料電池１０に流入させることができる。このため、通常制御によれば、燃料電池１０を、十分に冷却することができる。
【００２９】
また、この際、循環経路の中を流れる媒体が純水であることから、加湿部１６は、その純水を用いて反応ガスを適当に加湿することができる。このため、通常制御によれば、燃料電池１０を十分かつ適切に冷却しつつ、燃料電池１０に、効率的に電力を発生させることができる。
【００３０】
ところで、上述した通常制御の実行中は、分離膜ユニット３８に対して、水と不凍液とを分離する作業は何ら要求されていない。つまり、分離膜ユニット３８は、循環経路から切り離されているため、通常制御の実行中は、不凍液と水を分離する仕事を実質的に何ら行っていない。このように、本実施形態のシステムは、通常制御の実行中は、分離膜ユニット３８に何ら負担をかけることなく燃料電池１０を安定的、かつ効率的に作動させ続けることができる。
【００３１】
（温暖停止時、温暖始動時の動作）
本実施形態のシステムは、外気温度が５℃を超えるような温暖環境下では、燃料電池１０の作動が停止された場合に、図２に示す循環経路を保ったまま冷却水の循環を停止する（以下、この動作を「温暖停止時の動作」と称す）。そして、そのような温暖環境下で、その後燃料電池１０が再始動した場合には、図２に示す循環経路を保ったまま、冷却水の循環を開始する（以下、この動作を「温暖始動時の動作」と称す）。
【００３２】
燃料電池１０の停止中は、その内部で発熱反応が生じないことから、冷却水の温度が外気温度同等値に低下する。CPU５０は、より具体的には、そのような温度変化に伴って、純水が凍結することがないような環境を温暖環境と判断する。このため、温暖停止時の動作および温暖停止時の動作は、純水の冷却水に凍結が生じない場合にのみ実行される。
【００３３】
純水の冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水の不凍液を混合する必要はない。また、冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水が循環経路中に存在しても、何ら不都合が生じない。更に、上述した温暖停止時の動作、および温暖始動時の動作によれば、通常運転時に用いる循環経路から冷却水が流出しないことから、その循環経路内に純水の冷却水が十分に存在する状態を維持することができる。そして、この状態が維持できれば、不凍液タンク３０や分離膜ユニット３８に何ら仕事をさせることなく、通常運転を再開することができる。本実施形態のシステムは、この点においても、分離膜ユニット３８の負担を軽減するうえで好ましい特性を有している。
【００３４】
（低温停止時の動作）
図３（Ａ）は、本実施形態のシステムが「低温停止時の動作」を行っている場合の状態を示す。また、図３（Ｂ）は、本実施形態のシステムの「低温停止中」の状態を示す。CPU５０は、純水の凍結が予想される環境、具体的には、外気温度が０〜５℃程度に設定した判定温度を下回る環境を「低温環境」と判断する。そして、CPU５０は、燃料電池１０の停止時、或いは停止中に、その低温環境を検知すると、図３（Ａ）に示す低温停止時動作を行う。
【００３５】
低温停止時動作では、第１切替弁２４が、ポンプ１８を不凍液タンク３０に導通させる状態（第２状態）に制御され、第２切替弁３６が遮断状態に制御され、かつ、ポンプ１８が作動状態に制御される。本実施形態のシステムは、このような制御が行われた場合に、第２切替弁３６より下流に位置する循環経路内の冷却水（純水）が、ポンプ１８によってくみ出され、不凍液タンク３０に移送されるように構成されている。このため、低温停止時動作によれば、通常運転時に用いられる循環経路内に存在する純水のほぼ全てを、不凍液タンク３０に移し替えることができる。
【００３６】
（低温停止中の状態）
不凍液タンク３０への冷却水（純水）の移送が終わると、その時点で低温停止時動作が終了される。その結果、図３（Ｂ）に示す低温停止中の状態が形成される。ここでは、第１切替弁２４および第２切替弁３６の双方が遮断状態とされ、かつ、ポンプ１８が停止状態とされる。
【００３７】
低温停止中は、循環経路の内部に冷却水（純水）が殆ど残存していない。このため、燃料電池システムを取り巻く外気の温度が更に低温になっても、循環経路の内部では、冷却水の凍結に起因する不都合が生じない。また、不凍液タンク３０の中には、エチレングリコールやグリセリンなどの不凍液成分が予め貯留されているため、そこに移送された純水は、それらの成分と混じり合って、十分に凝固点の低い混合液となる。このため、不凍液タンク３０の内部でも冷却水（混合液）の凍結は生じない。このように、本実施形態のシステムによれば、低温停止中における冷却水の凍結を、確実に回避することができる。
【００３８】
（低温始動時の動作）
本実施形態のシステムは、低温停止時の動作により冷却水の移送が行われた後に燃料電池１０の始動が要求された場合は、先ず、「低温始動時の動作」を実行する。図４（Ａ）は、本実施形態のシステムが「低温始動時の動作」を行っている場合の状態を示す。ここでは、第１切替弁２４が、ポンプ１８をリザーブタンク２６に導通させる状態（第１状態）に制御され、第２切替弁３６が、分離膜ユニット３８を熱交換器４２に導通させる状態（第２状態）に制御される。
【００３９】
上記の制御によれば、ポンプ１８から流出する冷却水を、不凍液タンク３０ではなくリザーブタンク２６に導く状態を作り出すことができる。また、分離膜ユニット３８を循環経路（熱交換器４２）に導通させることにより、分離膜ユニット３８に混合液から水だけを分離させ、その結果生じた純水を循環経路に流入させるための状態を作り出すことができる。但し、低温始動時には、ポンプ１８が停止状態とされる。このため、低温始動時のの動作が行われている間は、実質的には燃料電池１０の内部に冷却水は流入しない。
【００４０】
燃料電池１０は、その内部温度が適当な活性温度に達することで本来の発電能力を発揮する。このため、低温環境下でその始動が図られた場合には、その内部温度を速やかに上昇させることが望ましい。上述した低温始動時動作の実行中は、燃料電池１０の内部に冷却水が流入しないため、そこで生ずる発熱反応による熱量が、冷却水に奪われることがない。このため、低温始動時動作によれば、燃料電池１０の内部温度を迅速に高めることができ、燃料電池１０の発電効率を、その始動が開始された後、短時間で十分に上昇させることができる。
【００４１】
（低温暖機過程の動作）
本実施形態のシステムは、低温環境下で始動されたと、燃料電池１０の内部温度が所定の暖機温度に達すると、図４（Ａ）に示す低温始動時の動作を止めて、図４（Ｂ）に示す「低温暖機過程の動作」を開始する。ここでは、第１切替弁２４および第２切替弁３６の状態を、低温始動時の状態に維持したまま、ポンプ１８が作動状態とされる。その結果、分離膜ユニット３８→熱交換器→燃料電池１０→ポンプ１８→リザーブタンクの経路を辿って純水の冷却水が流通し始め、燃料電池１０の内部が適度に冷却され始める。
【００４２】
低温暖機過程の動作は、不凍液タンク３０から所望量の純水が取り出された時点で、つまり、リザーブタンク２６の中に、通常運転動作を行うために必要な純水が蓄えられた時点で終了される。そして、その動作に続いて、上述した通常運転動作（図２参照）が開始される。通常運転動作の開始後は、既述した通り分離膜ユニット３８には何らの負担もかからない。つまり、本実施形態のシステムにおいて、分離膜ユニット３８に水分離の負担がかかるのは、実質的には、低温暖機過程の動作が行われている期間だけである。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット３８の劣化を十分に抑制しつつ、燃料電池１０を安定的、かつ効率的に作動させることができる。
【００４３】
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために、CPU５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、このルーチンは、燃料電池１０の停止後であっても、少なくとも低温停止時の動作が実行されていない間は、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。
【００４４】
図５に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の運転が停止されているか否かが判別される（ステップ１００）。CPU５０は、例えば、燃料電池１０のON・OFFスイッチの状態、或いは燃料電池１０が車両に搭載されている場合にはその車両のイグニッションスイッチの状態等に基づいて、上記の判断を下すことができる。
【００４５】
その結果、燃料電池１０が停止していると判別された場合は、次に、低温環境が形成されているか否かが判別される（ステップ１０２）。CPU５０は、純水の凍結が予測される場合に低温環境の成立を判断する。具体的には、０〜５℃程度に設定された判定温度を下回る外気温度が外気温度センサ５８により検出された場合に低温環境の成立を判定する。但し、その判定の手法はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料電池１０の内部温度や、温度センサ５２，５４により検出される冷却水温度などを基礎として、その判定を行うこととしてもよい。
【００４６】
上記の処理の結果、低温環境の形成が認められなかった場合は、現在の環境下では、冷却水が純水のままであっても、その凍結は生じないと判断できる。この場合は、第１切替弁２４および第２切替弁３６の状態が停止前の状態、つまり、通常運転時の状態に維持されたまま、ポンプ１８がOFFとされる（ステップ１０４）。その結果、図２に示すように循環経路が形成されたまま、冷却水の循環が停止される。
【００４７】
燃料電池１０の停止時或いは停止中に、その周囲において低温環境が形成されると、上記ステップ１０２において、低温環境の成立が判定される。このような判定がなされると、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される（ステップ１０６）。移送済みフラグは、後述するように、低温停止時の動作が実行されることにより、循環経路内の冷却水（純水）が不凍液タンク３０に移送されることによりONとされるフラグである。
【００４８】
上記ステップ１０６において、移送フラグがONであると判別された場合は、既に低温停止時の動作が実行済みであると判断できる。この場合は、以後何ら処理が行われることなく速やかに今回のルーチンが終了される。一方、移送済みフラグがONでないと判別された場合は、低温停止時の動作を開始するべく、ポンプ１８がONとされ、第１切替弁２４が第２状態（ポンプ１８と不凍液タンク３０と導通させる状態）とされ、かつ、第２切替弁３６が遮断状態とされる（ステップ１０８）。上記の処理が実行されると、図３（Ａ）に示す低温停止時の動作が開始され、循環経路内に存在している冷却水（純水）が、不凍液タンク３０に移送され始める。
【００４９】
その後、移送完了条件（例えば、所定時間の経過等）の成立が認められると（ステップ１１０）、低温停止時動作を終えるべく、ポンプ１８がOFFとされ、かつ、第１切替弁２４および第２切替弁３６の双方が遮断状態とされる（ステップ１１２）。上記の処理が実行されると、図３（Ｂ）に示す低温停止中の状態、つまり、冷却水の凍結が生じ得ない状態が実現される。以後、移送済みフラグがONとされ（ステップ１１４）、その後、今回のルーチンが終了される。
【００５０】
燃料電池１０の運転中は、上記ステップ１００において運転停止の判断が否定される。この場合は、次に、始動時フラグがONであるか否かが判別される（ステップ１１６）。始動時フラグは、後述するように、通常運転時の動作が開始された時点でONとされるフラグである。従って、このフラグがONであると判断された場合は、このルーチンにより実行すべき処理が既に完了していると判断できる。この場合、以後速やかに今回のルーチンが終了される。
【００５１】
一方、上記ステップ１１６において、始動時フラグがONでないと判断された場合は、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される（ステップ１１８）。移送済みフラグは、上記の如く、燃料電池１０の停止中に循環経路内の冷却水が不凍液タンク３０に移送された場合に限りONとされるフラグである。このため、そのフラグがONでなければ、冷却水は、不凍液タンク３０に移送されることなく、循環経路内に残存していると判断できる。また、この場合は、第１切替弁２４および第２切替弁３６が、通常運転時の状態のまま維持されていると判断できる。
【００５２】
この場合、温暖始動時の動作（図２参照）を開始するべく、先ず、燃料電池１０の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される（ステップ１２０）。燃料電池１０の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池１０の冷却を開始すべきでないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ１８をOFF状態としたまま、つまり、冷却水の循環を開始しないまま、その到達が待たれる。
【００５３】
そして、燃料電池１０の内部温度が活性温度に達したと判断されると、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ１８がON状態とされる（ステップ１２２）。その結果、以後、燃料電池１０の内部温度が適当な温度に維持されるように、通常運転時の動作（図２参照）が開始される。以上の処理が終わると、始動時フラグがOFFとされ（ステップ１２４）、その後今回のルーチンが終了される。
【００５４】
燃料電池１０の停止時に、低温停止時動作が行われていた場合は、燃料電池１０の再始動後に、ステップ１１８において、移送済みフラグがONであると判断される（ステップ１１８）。この場合は、移送済みフラグがOFFとされた後（ステップ１２６）、図４（Ａ）に示す低温始動時の動作を開始するべく、第１切替弁２４が第１状態に、また、第２切替弁３６が第２状態に、それぞれ制御される（ステップ１２８）。その結果、ポンプ１８がリザーブタンク２６に導通し、かつ、分離膜ユニット３８が熱交換器４２に導通する状態が形成される。
【００５５】
次に、燃料電池１０の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される（ステップ１３０）。燃料電池１０の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池１０に冷却水を流入させるべきではないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ１８がOFF状態に維持され、その結果、低温始動時の状態（図４（Ａ）に示す状態）が維持される。
【００５６】
燃料電池１０の内部温度が活性温度に達したと判断された場合は、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ１８がON状態とされる（ステップ１３２）。その結果、低温始動時の動作に代えて、図４（Ｂ）に示す低温暖機過程の動作が開始される。つまり、不凍液タンク３０の中から純水を分離抽出して、その純水を、燃料電池１０を経由してリザーブタンク２６まで流通させる動作が開始される。
【００５７】
次に、水分離の完了条件が成立したか否かが判別される（ステップ１３４）。水分離の完了条件は、不凍液タンク３０の中から十分な量の純水が取り出されたと判断できる時点で、より具体的には、通常運転時の動作を行うに十分な量の純水がリザーブタンク２６に蓄えられたと判断できる時点で、その成立が認められる。この条件は、例えば、ポンプ１８がONとされた後の経過時間が所定時間に達した時点でその成立が判定される。
【００５８】
水分離の完了条件が成立したと判別されると、低温暖機過程の動作（図４（Ｂ）参照）を止めて、通常運転時の動作（図２参照）を開始するべく、第２切替弁３６が第２状態から第１状態に切り替えられる（ステップ１３６）。その結果、通常運転に必要な循環経路、つまり、不凍液タンク３０および分離膜ユニット３８を含まずに環路を形成する循環経路が形成される。以後、ステップ１２４において始動時フラグがOFFとされ、その後今回のルーチンが終了される。
【００５９】
以上の処理によれば、燃料電池１０が低温環境下で停止している場合にのみ、つまり、純水の冷却水が凍結する恐れのある場合にのみ、その冷却水に不凍液を混合し、純水の凍結が予想されない場合には、純水を不凍液と混ぜることなく純水のまま存在させておくことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット３８の負担を十分に軽減しつつ、燃料電池１０に、安定的かつ効率的に、電力を生成させ続けることができる。そして、このシステムによれば、分離膜ユニット３８の負担が少ないことから、その経時劣化を十分に抑制することができ、システム自体の耐久性を大きく改善することができる。
【００６０】
ところで、上述した実施の形態１においては、燃料電池１０が、温暖な環境下で停止した場合は、循環経路の中に純水の冷却水を残存させたままでポンプ１８を停止させることとしているが（温暖停止時の動作）、温暖環境下での停止の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、温暖環境下での停止時においても、燃料電池１０の内部から冷却水を抜き出すべく、循環経路内の冷却水をリザーブタンク２６に回収した後にポンプ１８を停止させることとしてもよい。このような手法によれば、温暖環境下での始動時にも、低温環境下での始動時の場合と同様に、燃料電池１０の周辺における熱容量を小さくしておくことが可能であり、その暖機に要する時間を短縮することが可能である。
【００６１】
尚、上述した実施の形態１においては、通常運転時に用いられる循環経路が前記第１の発明における「冷却機構」に、加湿部１６が前記第１の発明における「加湿機構」に、不凍液タンク３０、第１切替弁２４、第２切替弁２６およびCPU５０が前記第１の発明における「不凍液混合機構」に、分離膜ユニット３８が前記第１の発明における「冷却水分離機構」に、それぞれ相当している。
【００６２】
本発明の変形例
次に、図６を参照して、本発明の変形例について説明する。図６に示す変形例は、(1)不凍液タンク３０および分離膜ユニット３０、並びにそれらに通じる分岐機構（第１切替弁２４、第２切替弁３６、および管路３２，４０）が省かれている点、(2)リザーブタンク２６と熱交換器４２の間に切替弁６０が配置されている点、および(3)加湿部１６が除かれている点を除き、実施の形態１のシステムと同様のハードウェア構成を有している。尚、図６に示すシステムにおいては、凍結を避けるべく、不凍液を含む冷却水が用いられるものとする。
【００６３】
図６に示すシステムにおいて、切替弁６０は、CPU５０からの指令を受けて、開弁状態および閉弁状態の何れかを選択的に実現することができる。図６に示す燃料電池システムは、通常運転時には、切替弁６０を開弁状態としてポンプ１８を作動させる。この場合、循環経路の中を冷却水が循環するため、燃料電池１０の内部を適当に冷却することができる。
【００６４】
図６に示すシステムは、燃料電池１０が温暖な環境下、具体的には、外気温度が５℃を超えるような環境下で停止した場合は、即座にポンプ１８をOFF状態として、冷却水の循環を停止させる。一方、燃料電池１０の停止時或いは停止中に、低温環境が検知された場合、具体的には、外気温度が０〜５℃の間に設定した所定の判定値を下回るような環境が検知された場合は、その時点で、燃料電池１０の中から冷却水を抜き取るための抜き取り処理を開始する。
【００６５】
冷却水の抜き取り処理は、具体的には、切替弁６０を閉弁状態としてポンプ１８をON状態とすることで実行することができる。このような処理によれば、切替弁６０の下流に存在する冷却水をリザーブタンク２６に回収することができる。冷却水の回収が終了したと判断されると（例えば、所定の実行時間が経過したと判断されると）、その時点で、抜き取り処理を終了すべく、ポンプ１８がOFF状態とされる。
【００６６】
以後、燃料電池１０の内部には、切替弁６０が開弁されるまで冷却水が流入しない。切替弁６０は、燃料電池１０が低温環境下で停止した場合は、燃料電池１０が再始動され、その後、燃料電池１０の内部温度が活性温度に達するまで閉状態に維持される。このような処理によれば、低温環境下での再始動時に、冷却水が存在しない分だけ燃料電池１０の熱容量を小さくしておくことができる。このため、図６に示すシステムによれば、低温環境下での始動の後、燃料電池１０の暖機を迅速に終了させることができ、燃料電池１０が効率的に電力を発生する状況を短時間で作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムが「通常運転時」、「温暖停止時」、および「温暖始動時」において実現する状態を表す図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の実施の形態１のシステムが「低温停止時」において実現する状態を示す。図３（Ｂ）は、本発明の実施の形態１のシステムが「低温停止中」において実現する状態を示す。
【図４】図４（Ａ）は、本発明の実施の形態１のシステムが「低温始動時」において実現する状態を示す。図４（Ｂ）は、本発明の実施の形態１のシステムが「低温暖機過程」において実現する状態を示す。
【図５】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートを示す。
【図６】本発明の変形例の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  燃料電池
１６  加湿部
１８  ポンプ
２４  第１切替弁
２６  リザーブタンク
３０  不凍液タンク
３６  第２切替弁
３８  分離膜ユニット
【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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