(57)【要約】【課題】  氷点以下の低温環境にて、燃料電池スタック内の生成水および冷却媒体の凍結を防止して、発電始動を速やかに開始する。【解決手段】  燃料電池スタック１を冷却する冷却水循環系４の冷却水供給路４１に、エアコンプレッサ２３に至る空気供給路２１から分岐する空気導入路６を、流路切換弁６３を介して接続する。冷却水循環系４の冷却水排出路４２には、冷却水タンク７１に至る冷却水回収路を、流路切換弁７２を介して接続する。運転停止時に掃気処理と同時に、エアコンプレッサ２３にて加圧した空気を、空気導入路６から燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に導入し、冷却水タンク７１に冷却水を回収する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックにコンプレッサにて加圧した酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路および反応後のガスを排出するための酸化剤ガス排出路と、
上記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路および反応後のガスを排出するための燃料ガス排出路と、
上記燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体をポンプで循環させる冷却媒体循環路を備える燃料電池システムにおいて、
上記冷却媒体循環路に、上記酸化剤ガス供給路から分岐する酸化剤ガス導入路を接続するとともに、冷却媒体タンクへ至る冷却媒体回収路を接続し、加圧した酸化剤ガスを上記冷却媒体供給路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に導入することにより、上記燃料電池スタック内の冷却媒体を上記冷却媒体回収路から上記冷却媒体タンクへ回収する回収手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記燃料電池スタックの運転停止に伴い、加圧した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給路から上記燃料電池スタック内のガス流路に導入する掃気処理を行う時に、上記回収手段を作動させる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記掃気処理時に、通常運転時よりも低効率で発電を行い発熱量を増加させる発電制御手段を備える請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記冷却媒体循環路が、上記ポンプを経て上記燃料電池スタックへ冷却媒体を供給するための冷却媒体供給路および冷却後の冷却媒体を排出するための冷却媒体排出路を有し、
上記冷却媒体供給路の途中に、流路切換弁を介して上記酸化剤ガス導入路を接続するとともに、
上記冷却媒体排出路の途中に、流路切換弁を介して上記冷却媒体回収路を接続した請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記燃料電池スタックの始動後、上記冷却媒体タンクの冷却媒体を上記冷却媒体循環路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に再充填する充填手段を備える請求項１ないし４のいずれか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、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特に氷点下での始動性に優れた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを供給して化学反応させることにより電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体を燃料ガス側セパレータ、酸化剤側セパレータで挟んだ構造を有しており、アノード電極に供給される水素がイオン化して電解質膜を透過し、カソード電極に供給される酸素と反応する。
【０００３】
燃料電池スタックには、燃料ガス供給系と酸化剤ガス供給系が接続され、水素と酸素の反応により水が生成するとともに、反応熱が発生する。燃料電池スタックは、この反応熱を利用して、セル温度を運転に適切な温度まで上昇させるが、低温環境下、特に氷点以下では、発電により生成した水が凍結して、始動を妨げたり、発電効率を悪化させたりするおそれがあった。
【０００４】
発電を阻害する要因の１つに、システム内の残留水がある。燃料電池スタックの運転停止時に、システム内に生成水が残留していると、停車中に凍結して始動ができなくなる。その対策として、通常は、運転停止時に掃気処理を行っており、ガス流路に溜まった生成水を、掃気ガスとともに車外へ排出している。
【０００５】
一方、他の要因として、燃料電池スタックの冷却装置がある。通常運転時には、反応熱による燃料電池スタックの過度の温度上昇を抑制するため、燃料電池スタックのセル間に冷却媒体通路を設けて、冷却媒体を循環させている。ところが、低温始動時には、冷却媒体通路に保持される冷却媒体の熱容量が大きいために、反応熱が吸収されてしまう。
【０００６】
このため、特許文献１には、氷点下始動時に、燃料電池スタックの中の冷却液（例えば、不凍液等）を一旦タンクに回収して、燃料電池スタックの熱容量を減少させることが提案されている。特許文献１のシステムは、冷却液の循環系に電磁弁を介して冷却液の回収路を接続したもので、始動時に検出温度が設定温度以下（冷却が必要な温度以下）であると、燃料電池スタックより上方位置に設けた外気導入用の電磁弁を開く。この時、燃料電池スタック内に外気を導入されて、冷却液がより比熱の小さい空気と置換される。冷却液は、燃料電池スタックより下方位置に配置したタンクに、自重により回収される。
【０００７】
その後、発電始動を開始し、発電による反応熱により通常運転時の温度に達したら、再度不凍液を充填して、冷却系を駆動させる。
【特許文献１】特開２００３−２５７４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のシステムでは、タンクへの回収は冷却液の自重によって行われるので、燃料電池スタック内の冷却液を空気で置換するのに時間がかかり、また、冷却液通路内に冷却液が残りやすい。しかも、発電始動時に冷却液の充填を行うため、速やかに始動を開始することができず、冷却液として不凍液の代りに水を用いる場合には、停車中の冷却水の凍結が問題となる。回収通路やタンクを燃料電池スタックより下方に配置する必要があり、設置スペースが制約される等の不具合がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池スタックの冷却装置を備えたシステムにおいて、氷点以下の低温環境にて、発電により生成する水および冷却媒体の凍結を防止して、発電始動を速やかに開始することができ、しかも簡単な構成でスペース上の制約を受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】
【００１０】
請求項１の発明における燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックにコンプレッサにて加圧した酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路および反応後のガスを排出するための酸化剤ガス排出路と、
上記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路および反応後のガスを排出するための燃料ガス排出路と、
上記燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体をポンプで循環させる冷却媒体循環路を備え、
上記冷却媒体循環路に、上記酸化剤ガス供給路から分岐する酸化剤ガス導入路を接続するとともに、冷却媒体タンクへ至る冷却媒体回収路を接続し、加圧した酸化剤ガスを上記冷却媒体供給路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に導入することにより、上記燃料電池スタック内の冷却媒体を上記冷却媒体回収路から上記冷却媒体タンクへ回収する回収手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、運転停止時に冷却媒体の循環を停止し、コンプレッサで加圧した酸化剤ガスを冷却媒体循環路から送り込むことで、燃料電池スタック内の冷却媒体を容易に排出し、冷却媒体タンクへ回収することができる。このため自重で回収する従来技術のように回収に時間がかからず、また、運転停止時に回収すれば、停車中に冷却媒体が燃料電池スタック内で凍結することも回避できる。よって、既存の構成を利用して、冷却媒体を短時間で効率よく回収でき、氷点下での発電始動を速やかに開始することができる。
【００１２】
請求項２の発明では、上記燃料電池スタックの運転停止に伴い、加圧した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給路から上記燃料電池スタック内のガス流路に導入する掃気処理を行う時に、上記回収手段を作動させる。
【００１３】
好適には、運転停止時に掃気処理を行って、燃料電池スタック内に溜まった水分を除去する際に、冷却媒体の回収を行う。
【００１４】
請求項３の発明では、上記掃気処理時に、通常運転時よりも低効率で発電を行い発熱量を増加させる発電制御手段を備える。
【００１５】
掃気の際には、補機類を稼働させるのに必要な電力が供給できればよいので、発電の効率点を必要最低限に抑え、発熱量を増やすことができる。これにより、掃気中の水の凝縮に伴う温度低下を抑制し、燃料電池スタック温度を上昇させて、掃気による水分の除去を毎回確実に行うことができる。
【００１６】
請求項４の発明では、上記冷却媒体循環路が、上記ポンプを経て上記燃料電池スタックへ冷却媒体を供給するための冷却媒体供給路および冷却後の冷却媒体を排出するための冷却媒体排出路を有し、上記冷却媒体供給路の途中に、流路切換弁を介して上記酸化剤ガス導入路を接続するとともに、上記冷却媒体排出路の途中に、流路切換弁を介して上記冷却媒体回収路を接続している。
【００１７】
具体的には、掃気時に流路切換弁を切換えて、コンプレッサからの加圧した酸化剤ガスを燃料電池スタック内へ導入する一方、冷却媒体排出路と冷却媒体回収路を連通させることで、容易に冷却媒体を冷却媒体タンクに回収することができる。
【００１８】
請求項５の発明では、上記燃料電池スタックの始動後、上記冷却媒体タンクの冷却媒体を上記冷却媒体循環路から上記燃料電池スタック内の冷却媒体流路に再充填する充填手段を備える。
【００１９】
氷点下の始動時には、燃料電池スタック内に冷却媒体は存在しないので、容易に始動できる。その後、燃料電池スタックの温度が上昇し、通常発電が可能になったところで、  再び冷却媒体タンクの冷却媒体を冷却媒体循環路から燃料電池スタックに送り込むことで、通常の冷却を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に基づく燃料電池システムについて図面により説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）は、その要部拡大図である。燃料電池システムは、燃料電池車両（例えば燃料電池自動車）の動力源となるもので、燃料電池スタック１と、酸化剤ガスとなる空気を供給するための空気供給系２、および燃料ガスとなる水素を供給するための水素供給系３を備えている。また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却媒体となる冷却水を循環させる冷却水循環系４を備える。
【００２１】
図１（ａ）において、空気供給系２は、燃料電池スタック１のカソード電極に空気を供給するための空気供給路（酸化剤ガス供給路）２１と、反応後の排ガス（空気）を排出するための空気排出路（酸化剤ガス排出路）２２を有する。空気供給路２１には、エアコンプレッサ２３が設けられ、空気を加圧して燃料電池スタック１に供給するようになっている。水素供給系３は、水素タンク３３からの水素を燃料電池スタック１のアノード電極に供給するための水素供給路（燃料ガス供給路）３１と、反応後の排ガス（未反応水素）を排出するための水素排出路（燃料ガス排出路）３２を備えている。
【００２２】
冷却水循環系４は、冷却水を燃料電池スタック１内に供給するための冷却水供給路（冷却媒体供給路）４１と、冷却に使用された冷却水を排出するための冷却水排出路（冷却媒体供給路）４２と、冷却水を循環させるためのウォータポンプ４３とを有している。冷却水供給路４０１と冷却水排出路４０２は、ファン付きのラジエータ４４を介して接続され、冷却水循環路（冷却媒体循環路）を構成している。冷却水排出路４２の冷却水は、ラジエータ４４内の流路を通過する間に空冷され、冷却水供給路４１に設置したウォータポンプ４３によって、再び燃料電池スタック１内に送り込まれる。
【００２３】
燃料電池スタック１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、図１（ｂ）に示すように、多数のセルＣを積層して電気的に直列接続した固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックが好適に用いられる。基本単位構造となるセルＣは、通常公知の構成で、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ）と呼ばれる膜電極接合体を、空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２の間に挟んだ構成を有している。ＭＥＡは、ナフィオンに代表される高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにガス拡散層で両面を挟んで一体化されている。
【００２４】
ＭＥＡを挟持する空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２は、例えばカーボン材または導電性金属よりなる板状部材であり、その両面にはそれぞれ複数の溝が形成されている。これにより、ＭＥＡの両端面と、これに接する空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２との間に、それぞれ空気流路２４および水素流路３４が形成される。また、隣合う空気側セパレータＳ１および水素側セパレータＳ２の間には、冷却水流路４５が形成されている。
【００２５】
燃料電池スタック１内の空気流路２４および水素流路３４は、図１（ａ）の空気供給系２、水素供給系３の流路にそれぞれ接続されている。空気供給系２の空気供給路２１から各セルＣの空気流路２４に、水素供給系３の水素供給路３１から各セルＣの水素流路３４に、空気と水素がそれぞれ導入されると、ＭＥＡの両電極において下記式で表される電気化学反応が起こる。
アノード電極（水素極）  Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
カソード電極（空気極）  ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 + ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・（２）
【００２６】
なお、ＭＥＡでの良好な電気化学反応のために、通常は図示しない加湿装置にて空気を加湿した状態で供給している。反応に用いられなかった未反応空気および未反応水素は、空気排出路２２および水素排出路３２から排出される。水素排出路３２は、通常、図示しない流路によって水素供給路３１に接続され、未反応水素を循環再利用している。
【００２７】
燃料電池スタック１の電気出力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータに送られ、電圧調整の後、自動車駆動用のモータや各種補機類の駆動、２次電池の充電等に用いられる。必要な電力は運転状況によって変化し、制御手段（ＥＣＵ）５が、図示しない各種センサからの検出結果を基に燃料電池システム全体を制御する。
【００２８】
次に、本発明の特徴部分について説明する。
上記式（２）のように、空気流路２４側では、発電の際の化学反応により水が生成する。この水分は、燃料電池スタック１の空気流路２４を通過した未反応空気とともに空気排出路２２に排出されるが、一部は燃料電池スタック１内に残留する。この残留水が停車中に凍結すると始動が困難になるため、運転停止時に乾燥空気を導入して空気流路２４を掃気する掃気処理を実施している。ただし、燃料電池スタック１内には、冷却系４に接続される冷却水流路４５に冷却水が充填されているので、掃気中の水分の凝縮が起きやすく、これに伴う温度低下で掃気効率が低下する。また、氷点以下の低温環境下では、冷却系４内の冷却水自体が凍結するおそれがある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、冷却水循環系４の冷却水を運転停止時に回収する回収手段を設けている。具体的には、図１（ａ）において、冷却水循環路に、空気供給路２１から分岐する空気導入路（酸化剤ガス導入路）６を接続して、エアコンプレッサ２３からの加圧した空気を導入する一方、冷却水回収路７を接続して冷却水タンク（冷却媒体タンク）７１へ冷却水を回収可能とする。
【００３０】
空気導入路６には、空気供給路２１との連通・遮断を切換える開閉弁６１と、流量調整用のバタフライ弁６２が設けられ、ウォータポンプ４３下流の冷却水供給路４１に流路切換弁６３を介して接続される。流路切換弁６３は３方弁構造で、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に連通させる流路を、ウォータポンプ４３へ至る冷却水供給路４１または空気導入路６に切換える。
【００３１】
冷却水回収路７は、冷却水排出路４２に流路切換弁７２を介して接続される。流路切換弁７２は３方弁構造で、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に連通させる流路を、ラジエータ４４へ至る冷却水排出路４２または冷却水タンク７１への冷却水回収路７に切換える。冷却水タンク７１の頂部には、冷却水とともに流入する空気を抜くための圧抜き弁７３が設けられる。また、充填手段として、冷却水循環路に冷却水を戻すための冷却水導出路７４が設けられて、冷却水タンク７１の底部と流路切換弁７２下流の冷却水排出路４１とを接続している。冷却水導出路７４には開閉弁７５が設けられている。
【００３２】
回収手段を構成する流路切換弁６３と流路切換弁７２、空気導入路６の開閉弁６１とバタフライ弁６２、冷却水導出路７４の圧抜き弁７３と開閉弁７５の駆動は、制御手段５によって制御される。制御手段５は、また、エアコンプレッサ２３やウォータポンプ４３、ラジエータ４４のファンといった補機類に制御信号を出力し、これら補機類の駆動と流路の開閉および切換を制御することで、冷却水の回収を行う。
【００３３】
図２（ａ）に、通常運転時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。通常の発電運転時には、エアコンプレッサ２３で加圧した空気を、空気供給路２１から燃料電池スタック１内の空気流路２４に供給し、水素タンク３３の水素を、水素供給路３１から燃料電池スタック１内の水素流路３４に供給して、アノード電極およびカソード電極にて上記式（１）、（２）の発電反応を生起する。反応後の排ガス（未反応ガスや加湿用の水蒸気、生成水等を含む）は、空気排出路２２または水素排出路３２から排出される。
【００３４】
冷却水循環系４は、ラジエータ４４と燃料電池スタック１が冷却水供給路４１および冷却水排出路４２を介して連通するように、流路切換弁６３と流路切換弁７２を切換え、ウォータポンプ４３を作動させる。空気導入路６の開閉弁６１と、冷却水導出路７４の圧抜き弁７３と開閉弁７５は閉弁している。この時、冷却水排出路４２および冷却水供給路４１を経由して、ラジエータ４４と燃料電池スタック１の間を冷却水が循環する冷却水循環路が形成する。燃料電池スタック１の発電反応によって発生する熱は、燃料電池スタック１内の空気流路２４および水素流路３４と隣接する冷却水流路４５との熱交換によって、冷却水流路４５を流通する冷却水に放熱される。制御手段５は、ウォータポンプ４３による冷却水の循環量を調整して、燃料電池スタック１が最適な温度範囲（例えば８０℃程度）に維持されるように制御する。
【００３５】
発電運転を停止する時には、掃気処理を実施するとともに、冷却水の回収を行う。図２（ｂ）に、この場合の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。掃気処理は、空気供給路２１から燃料電池スタック１内に空気を導入することによって行い、燃料電池スタック１内の空気流路２４に溜まった水分を除去する。この時、エアコンプレッサ２３からの空気を加湿せずに用いることで、掃気処理が容易になる。
【００３６】
図３は、回収時の制御手段５による制御動作を示すフローチャートであり、まず冷却水循環系４のウォータポンプ４３を停止し（ステップＳ１）、流路切換弁６３と流路切換弁７２を切換える（ステップＳ２）。これにより、燃料電池スタック１が、冷却水供給路４１および流路切換弁６３を介して冷却水導入路６と連通し、冷却水排出路４２および流路切換弁７２を介して冷却水回収路７と連通するように切換えられる。次いで、エアコンプレッサ２３を作動させて、冷却水導入路６の開閉弁６１を開弁し、バタフライ弁６２の流量を調整して（ステップＳ３）、空気供給路２１の加圧空気を冷却水導入路６に導入し、冷却水供給路４１から燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に供給する。同時に、圧抜き弁７３を開弁して（ステップＳ４）、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５を、冷却水排出路４２および冷却水回収路７を介して大気に開放された冷却水タンク７１と連通させる。
【００３７】
この時、エアコンプレッサ２３からの加圧空気と大気開放とした冷却水タンク７１との圧力差によって、冷却水供給路４１から燃料電池スタック１内に空気が流入するのに伴い、燃料電池スタック１の冷却水流路４５に充填されていた冷却水が、冷却水排出路４２から冷却水回収路７に導出し、速やかに冷却水タンク７１に回収される。ここで、エアコンプレッサ２３の回転数は、掃気処理に必要な空気流量と、冷却水の回収に必要な空気流量が得られるように適宜調整される。冷却水タンク７１に流入する空気は、圧抜き弁７３から大気に放出される。
【００３８】
次いで、回収した冷却水量から回収が完了したかどうかを判断する（ステップＳ５）。回収した冷却水量は、例えば、冷却水タンク４１内にレベル計４６を設けておき、燃料電池スタック１内の冷却水量に相当する上限レベルに達したら、回収を停止する（ステップＳ６）。
【００３９】
このように、エアコンプレッサ２３からの加圧空気を利用することで、冷却水タンク７１に燃料電池スタック１内の冷却水のみを、容易に回収することができる。そして、冷却水が回収される結果、掃気処理時に燃料電池スタック１の熱容量が大幅に低減することになり、掃気時の放熱が抑えられて掃気処理の効率が向上する。また、運転停止時の掃気処理と同時に、冷却水の回収が実施されるので、回収を効率よく行うことができ、既存の装置を利用するので、システムが大型化することがない。
【００４０】
好適には、掃気処理時に冷却水を回収しながら、少量の発電を行うことで、燃料電池スタック１を発熱させるのがよい。従来、掃気処理をする場合は発電せず、例えば燃料電池スタック１のインピーダンスを計測する時にのみ行っている。これは、掃気時に必要以上に乾燥することを防止するため、燃料電池スタック１内部のインピーダンスと流路の水分量とに相関があることを利用して、インピーダンスに基づく掃気終了の判断を行っている場合で、基本的には発電せず、空気のみを送っている。また、エアコンプレッサ２３で加圧された空気は高温であることから、通常は、冷却水を循環させて燃料電池スタック１を冷やしながら、液滴と水蒸気で水分を持ち去っている。ところが、従来の制御では、特に半暖機が繰り返し行われた時には、燃料電池スタック１の温度が低下しやすく、掃気を行ってもセル中の水分を除去することが難しい。
【００４１】
そこで、本実施形態では、発電制御手段としての制御手段５により、掃気処理時に低効率発電を行い、反応熱で燃料電池スタック１の温度を上昇させる。掃気の際は、補機類を作動させるための電力さえ供給できればよいので、発電の効率点を必要最小限に抑えて発熱量を増やすことで、掃気中の水分の凝縮に伴う温度低下を抑制し、さらに掃気効率を向上できる。図４は、一般的な燃料電池の出力（ＩＶ）特性を示す図で、損失電圧Ｖｉ−Ｖ（Ｖｉ：理論起電力、Ｖ：セル電圧）が発熱量に相当する。定電流制御した場合には、セル電圧が低下するほど、すなわち発電効率が低下するほど、発熱量が増加する。発電の効率点を低下させるには、例えば反応ガスの供給量を低減し、ＩＶ特性を故意に悪化させた低効率発電を行って、補機類に必要なエネルギーを確保しながら、発熱量を積極的に増やすことができる。
【００４２】
従って、半暖機が繰り返し行われても、運転停止時の掃気処理において燃料電池スタック１の温度を上昇させるので、掃気による水分の除去を毎回確実に行うことができる。また、発電により水が生成するので、掃気と同時に冷却水を回収しても過度の乾燥が生じることがなく、燃料電池スタック１に水が残留しないので、停車中に燃料電池スタック１内で水が凍結するおそれがない。加えて、氷点下での始動時には、燃料電池スタック１内に冷却水が存在しないので、発電による反応熱が奪われることがなく、容易に始動できる。
【００４３】
図２（ｃ）に、始動時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す。氷点以下の低温環境下で始動する場合は、冷却水循環系４を作動させずに、エアコンプレッサ２３で加圧した空気を、空気供給路２１から燃料電池スタック１内の空気流路２４に供給し、水素タンク３３の水素を、水素供給路３１から燃料電池スタック１内の水素流路３４に供給して反応させる。この状態では、燃料電池スタック１内の冷却水流路４５に冷却水が充填されておらず、前回の掃気処理が効率よく行われて、残留水の凍結も生じていないので、発生する反応熱で燃料電池スタック１の温度が速やかに上昇し、氷点以下でも容易に発電始動を開始することができる。
【００４４】
燃料電池スタック１の温度が十分上昇したら、冷却水タンク７１の冷却水を再充填して、冷却水循環系４を作動させる。図５は、再充填時の制御手段５による制御動作を示すフローチャートであり、まず、燃料電池スタック１の温度を計測し、通常運転可能な温度まで上昇したかどうかを判断する（ステップＳ１１）。通常運転可能であれば、燃料電池スタック１がラジエータ４４と冷却水供給路４１を介して連通するとともに、冷却水回収路７を介して冷却水タンク７１と連通するように、流路切換弁６３および流路切換弁７２を切換える（ステップＳ１２）。次いで、冷却水導出路７４の開閉弁７５を開弁して、ウォータポンプ４３を作動させる（ステップＳ１３）。これにより、冷却水タンク７１の冷却水が、冷却水導出路７４からラジエータ４４および冷却水供給路４１を介して、燃料電池スタック１に送り込まれる。
【００４５】
次いで、冷却水タンク４１の水量から、燃料電池スタック１に冷却水流路４５が再充填されたかどうかを判断する（ステップＳ１４）。充填された冷却水量は、例えば、冷却水タンク４１内に設けたレベル計４６を基に計測することができ、冷却水タンク４１の水量レベルが低下して、再充填に必要な冷却水量に相当する下限レベルに達したら、充填完了とする。流路切換弁７２を切換えて（ステップＳ１５）、燃料電池スタック１からの冷却水排出路４１をラジエータ４４に連通させる。その後、冷却水導出路７４の開閉弁７５を閉弁して（ステップＳ１６）、通常の冷却水循環を行う。
【００４６】
このように、本実施形態の構成によれば、冷却水の回収を容易に行い、氷点以下の低温環境下において燃料電池スタックを容易に始動させることができる。また、前回の運転停止時に行う掃気処理とともに冷却水の回収を行うことにより、掃気の効率を高めることができるので、掃気時間が短縮できる。
【００４７】
なお、生成水の凍結のおそれのない環境条件であれば、運転停止の度に冷却水の回収を行う必要はなく、燃料電池スタックの温度や外気温度等に基づいて、冷却水の回収の要否を判断するようにしてもよい。また、図１のシステム構成は概略を示したもので、空気供給系２や水素供給系３、冷却水循環系４に、通常公知の装置やセンサその他を追加したり、流路構成等を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は燃料電池システムの全体概略構成図、（ｂ）は、（ａ）の要部である燃料電池スタックの拡大断面図である。
【図２】本発明の作用効果を説明するための図で、（ａ）は通常運転時、（ｂ）は冷却水回収時、（ｃ）は冷却水充填時の反応ガスおよび冷却水の流れを示す燃料電池システムの全体概略構成図である。
【図３】制御手段による冷却水回収時の制御動作を示すフローチャートである。燃料電池スタックの出力特性図である。
【図４】燃料電池スタックの出力特性図である。
【図５】制御手段による冷却水充填時の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池スタック
２  空気供給系
２１  空気供給路（酸化剤ガス供給路）
２２  空気排出路（酸化剤ガス排出路）
２３  エアコンプレッサ（コンプレッサ）
２４  空気流路（酸化剤ガス流路）
３  水素供給系
３１  水素供給路（燃料ガス供給路）
３２  水素排出路（燃料ガス排出路）
３３  水素タンク
３４  水素流路（燃料ガス流路）
４  冷却水循環系
４１  冷却水供給路（冷却媒体供給路）
４２  冷却水排出路（冷却媒体排出路）
４３  ウォータポンプ（ポンプ）
４４  ラジエータ
４５  冷却水流路（冷却媒体流路）
５  制御手段
６  空気導入路（酸化剤ガス導入路）
６１  開閉弁
６２  バタフライ弁
６３  流路切換弁
７  冷却水回収路（冷却媒体回収路）
７１  冷却水タンク
７２  流路切換弁
７３  圧抜き弁
７４  冷却水導出路（冷却媒体導出路）
７５  開閉弁
【図１】
2009110684.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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