JP2006286484A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの起動性を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタック１と、冷媒タンク２７と、燃料電池スタック１の発電部分に対応する位置に設けられ且つ冷媒が流通可能な冷却室２３と、冷媒タンク２７と冷却室入口２３ａとを接続する導入側の冷媒循環路Ｌ１、２４と、冷却室出口２３ｂと冷媒タンク２７とを接続する導出側の冷媒循環路２５、Ｌ２と、を備え、冷媒循環路（Ｌ１、２４、２５、Ｌ２）内の冷媒を残したまま冷却室２３内の冷媒を抜き入れする。そのため、冷媒タンク２７が大型化が避けられる。また、冷却室２３から冷媒を抜く際には抜き時間が短くてすみ、冷却室２３内に再び冷媒を充填する際には再充填する時間が極めて短くてすみ、これにより、燃料電池スタック１の起動性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムであり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである（たとえば特許文献１参照）。

陽極反応：Ｈ_２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
陰極反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法、などが知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、例えば燃料電池システムを車両用駆動源として使用する場合や寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあるので、そのような状況下でも燃料電池を起動でき、発電できることが望まれている。

しかしながら、燃料電池内のガス流路には水分（供給される燃料ガスまたは酸化ガスに含まれる水分や燃料電池セルの発電により生成される水分）が残留しているため、０℃以下の低温状態では、前記水分が燃料電池の電極近傍で凍結したり、ガス流路で凍結する。燃料電池の電極で凍結すれば、電極の面積が減るため発電能力が低下する。また、ガス通路で凍結すれば、通路断面積が減少し電極へ供給できるガス量が減少するため発電能力が低下する。

そのため、燃料電池を０℃以下から起動する場合、燃料電池の発電による反応熱またはヒーター等による加熱によって、０℃以上にできるだけ速く昇温するのが好ましい。

そこで、発電時には燃料電池を冷却するための冷媒を、起動時には燃料電池から抜くておくことで起動時の燃料電池の熱容量を低減し、燃料電池の昇温速度を速めることが提案されている（例えば特許文献２、３参照）。

なお、特許文献２では、燃料電池の下方に冷媒タンクをレイアウトし、低温起動時に燃料電池内の冷媒を自重で冷媒タンクに落下させて、燃料電池から冷媒を抜き取る方法が提案されている。また、特許文献３では、冷媒タンク内部を負圧にして、運転停止時に燃料電池内の冷媒を冷媒タンクに回収する方法が提案されている。また、特許文献４では、運転停止時に気体を圧送して、燃料電池内の冷媒を冷媒タンクに抜き取る方法が提案されている。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００３−２５７４６０号公報 特開２００４−２２４３６号公報 特開平６−２２３８５５号公報

しかしながら前記従来例はいずれも、燃料電池内の冷媒だけでなく燃料電池と冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒もすべて抜き取って、冷媒タンク内に回収構造である。その結果、冷媒タンクの容積を大きくする必要があり、燃料電池システムが大型化してしまう。例えば燃料電池システムを車両用駆動源として使用する場合は、車室内の一部や荷室の一部が占有され、車両の商品価値が低下する。

また、前記従来例では多量の冷媒を抜くため、燃料電池から冷媒を抜く時間が長くなるし、燃料電池スタックに冷媒を再充填する時間も長くなる。そのため、燃料電池スタックの発電開始まで長い時間がかかってしまう。

なお、前記従来例では、配管内から冷媒を抜き取った際に配管内に残留するガスが、冷媒の再充填時には、配管の湾曲部で冷媒に気泡として混ざりあい、この気泡が燃料電池の冷却室を通過する際にそのまま冷却室に留まってしまうことがある。このように燃料電池の冷却室内に気泡が留まると、発電時にはその部分の冷却が不完全になり、燃料電池の冷却性が低下してしまう。

本発明は、このような問題点を基に為されたものであって、燃料電池スタックの起動性を向上させることを目的とする。

以上の目的は、以下の本発明により達成される。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池セルを複数多段に積層した燃料電池スタックと、冷媒を貯留する冷媒タンクと、前記燃料電池スタックの発電部分に対応する位置に設けられ且つ前記冷媒が流通可能な冷却室と、前記冷媒タンクと前記冷却室の入口とを接続する導入側の冷媒循環路と、前記冷却室の出口と前記冷媒タンクとを接続する導出側の冷媒循環路と、を備え、前記冷媒循環路内の冷媒を残したまま前記冷却室内の冷媒を抜き入れすることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内の冷媒に加えて燃料電池スタックと冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒も共に抜き取る従来技術とは異なり、冷媒タンクが大型化が避けられる。また、前記従来技術に比べ、冷却室から冷媒を抜く際には極めて抜き時間が短くて済むし、冷却室内に再び冷媒を充填する際には最充填する時間が極めて短くて済むため、燃料電池スタックの起動性が向上する。

端的に言えば、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの起動性を向上でき、且つ、冷媒タンクならびに燃料電池システムを小型化できる。

またこの燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内と冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒もすべて抜き取る構造ではないので、冷媒の再充填時に配管の湾曲部で気泡が発生しない。そのため燃料電池スタックの冷却室内に気泡が留まってしまうなことが起こりにくく、通常運転時に燃料電池スタックの冷却性能が低下するようなことが起こりにくい。

以下、この発明の実施形態を図面に基づき説明する。以下の実施形態の燃料電池システムは、いずれも車両用駆動源として利用されるものである。

第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略図、図２は同燃料電池システムの燃料電池スタックの斜視図、図３は同燃料電池スタックの概略的な構造を示す一部分解部を含む斜視図、図４は同燃料電池システムの制御系を示す概略図、図５は同燃料電池システムの発電時（通常運転時）を示す概略図、図６は同燃料電池システムの発電停止時を示す概略図、図７は同燃料電池システムの低温下の発電開始時を示す概略図、図８は同燃料電池システムの冷却室内の圧力を変えた際の冷却室内の冷媒量（液面レベル）の変化を示す図、図９は同燃料電池システムの制御部の発電開始時の制御の流れを示すフローチャート図、図１０は同燃料電池システムの冷却室内の冷媒量を調整する際に冷却室に付加する圧力を判定するマップの一例を示す図である。なお、図１は主に燃料電池スタック１とその冷却機構を図示したもので、燃料電池システムの通常あるべきその他の構成要素については省略している。

燃料電池スタック
まず、図３を参照しつつ燃料電池スタック１について説明する。

図３に示すように燃料電池スタック１は、燃料電池セル１０を複数多段に積層し、この積層体の最外側に集電板およびエンドプレートを配置して図示せぬ締結手段により締結した構造である。

図３に示すように、各燃料電池セル１０は、固体高分子電解質膜１１とアノード電極（燃料極）１２とカソード電極（酸化極）１３とを積層した電極膜構造体と、この電極膜構造体を挟み込む一対のセパレータ１４、１５と、を備える。

アノード電極（燃料極）１２に燃料ガスを供給するため、燃料極側セパレータ１４とアノード電極（燃料極）１２との間には、燃料ガス供給室１７が設けられている。この燃料ガス供給室１７に燃料ガスを供給して排出するため、固体高分子電解質膜１１およびセパレータ１４、１５には、各燃料ガス供給室１７と連通し且つ積層方向に貫通する燃料ガス供給孔１８および燃料ガス排出孔１９が設けられている。これにより、燃料電池スタック１外部から燃料極１２に燃料ガスが供給して再び燃料電池スタック１外部に排出できるようになっている。

また、カソード電極（酸化極）１３に酸化ガスを供給するため、酸化極側セパレータ１５と固体高分子電解質膜１１との間には、酸化ガス供給室（図示せず）が設けられている。この酸化ガス供給室に酸化ガスを供給して排出するため、固体高分子電解質膜１１およびセパレータ１４、１５には、各酸化ガス供給室と連通し且つ積層方向に貫通する酸化ガス供給孔２１および酸化ガス排出孔２２が設けられている。これにより、燃料電池スタック１外部から酸化極１３に酸化ガスを供給して再び燃料電池スタック１外部へ排出できるようになっている。

各燃料電池セル１０に、燃料ガス（この例では水素）および酸化ガス（この例では空気）が供給されると、燃料電池セル１０で水が生成されるとともに電子が生成され、この電子を外部回路で直流の電気エネルギーとして利用できる。

このような発電時には各燃料電池セル１０の電極部分が発熱するので、この熱を放熱して各燃料電池セル１０を適正な運転温度に維持する必要がある。そのため、燃料電池スタック１には、図３に示すように冷却室２３が設けられている。具体的には、冷却室２３は、隣り合う２枚のセパレータ１４、１５間において、発熱部分（電極１２、１３）に対応する位置に設けられている。この冷却室２３に燃料電池スタック１の外部から冷媒（この例では冷却水）を導入するために、固体高分子電解質膜１１およびセパレータ１４、１５には、積層方向に貫通する冷媒導入孔２４と、該冷却室２３から外部に冷媒を導出するために積層方向に貫通する冷媒導出孔２５と、が設けられている。これにより、発電時には、冷却室２３に冷媒を流通させて燃料電池セル１０の発熱部分を冷却ができるようになっている。

次に、この実施形態の燃料電池システムの冷却系をより詳しく説明する。

図１に示すように、燃料電池システムには、冷媒タンク２７→導入側配管Ｌ１→冷媒導入孔２４→冷却室２３→冷媒導出孔２５→導出側配管Ｌ２→冷媒タンク２７という冷媒循環回路が形成されている。

冷媒タンク２７には冷媒導入側の配管Ｌ１が接続され、この配管Ｌ１が冷媒導入孔２４を介して冷却室２３の入口２３ａに接続されている。また、冷却室２３の出口２３ｂには冷媒導出孔２５を介して冷媒導出側の配管Ｌ２が接続され、この冷媒導出側の配管Ｌ２に冷媒タンク２７が接続されている。なお、冷媒導入孔２４と導入側配管Ｌ１とが「導入側の冷媒循環路」を構成し、また、冷媒導出孔２５と導出側の配管Ｌ２とが「導出側の冷媒循環路」を構成する。

導入側の配管Ｌ１には、冷媒を送り出すポンプＰおよびバルブｖ１が直列に介在している。また、導入側の配管Ｌ１には、バルブｖ１およびポンプＰをバイパスするバイパスラインＬ３が接続され、このバイパスラインＬ３にバルブｖ３が介在している。また、導入側の配管Ｌ１うちの燃料電池スタック１の近傍には、燃料電池スタック１の温度を検出する「温度検出手段」としての温度センサＴｓが配置されている。

一方、導出側の配管Ｌ２には、バルブｖ２と放熱器２８とが直列に介在している。また、導出側の配管Ｌ２には、冷却室出口２３ｂより下流でバルブｖ２より上流に分岐管Ｌ４が接続されている。この分岐管Ｌ４には、冷却室２３の冷媒量を調整可能な「冷媒量調整手段」がバルブｖ４を介して接続されている。この実施形態では、「冷媒量調整手段」は、冷却室２３内にガスを圧入する圧力付加手段２９（例えばコンプレッサ）として構成されている。この圧力付加手段２９は、バルブｖ１が閉、バルブｖ３が開、バルブｖ２が閉、バルブｖ４が開の状態で、冷却室２３にガスを圧入しそのガス圧を調整することで、例えば図８のように冷却室２３内の冷媒量（液面レベル）を変更できる。なお、バルブｖ４と冷却室出口２３ｂとの間には「圧力検出手段」として圧力センサＰｓが設けられており、冷却室２３内のガス圧を検出できるようになっている。

ここで、冷媒タンク２７は、図１に示すように燃料電池スタック１よりも重力方向上方に配置されており、燃料電池スタック１に接続される配管Ｌ１、Ｌ２は、図２に示すように何れも上方に延びている（図２参照）。そのため、バルブｖ２を閉めて圧力付加手段２９により冷却室２３内の冷媒の一部または全部を排出する際には、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３内の冷媒の自重により、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３内に冷媒は残ったままとなる。

そのため、抜いた冷媒を冷却室２３に再充填する際に、従来のように冷媒循環路（冷媒導入孔２４および冷媒導出孔２５および導入側の配管Ｌ１および導出側の配管Ｌ２）の冷媒を冷媒タンク２７に残しておくことができたため、極めて早く冷媒を再充填して通常運転に戻すことができる。また、冷媒タンク２７の容量も小さくてすむ。

制御部
次に、燃料電池スタック１の冷却機構の制御部について説明する。図４は本実施形態の燃料電池スタック１の冷却機構の制御系のブロック図である。

図４に示すように、冷却機構を制御する制御部３０は、車両のイグニッションスイッチＩＧＳに接続されて、イグニッションスイッチＩＧＳのスイッチング信号を受信する。また、制御部３０は、温度センサＴｓおよび圧力センサＰｓが接続され、温度センサＴｓで検出された検出温度および圧力センサＰｓで検出された検出圧力を受信する。また制御部３０は、ポンプＰおよび圧力付加手段２９およびバルブｖ１、ｖ２、ｖ３、ｖ４に接続され、これら制御する。

燃料電池システムの作動
次に、冷却機構の動作について説明する。

発電中（通常運転時）
発電中には、制御部３０は、図５に示すようにバルブｖ１を開、バルブｖ２を開、バルブｖ３を閉、バルブｖ４を閉、ポンプＰをＯＮとする。これにより、冷媒が冷却室２３内を流通して、燃料電池スタック１が適正温度に維持される。

発電停止時
発電停止時には、制御部３０は、図６に示すように、バルブｖ１、ｖ２、ｖ３、ｖ４を閉じ、ポンプＰをＯＦＦとする。

発電開始時
発電開始時には、制御部３０は、燃料電池スタック１の温度が氷点下以下の所定温Ｔ１（例えば−５℃）以上であれば、図５と同様にバルブｖ１を開、バルブｖ２を開、バルブｖ３を閉、バルブｖ４を閉、ポンプＰをＯＮとし、燃料電池スタック１の発電を開始するとともに燃料電池スタック１の冷却を開始する。一方、燃料電池スタック１の温度が氷点下の所定温度Ｔ１（例えば−５℃）以下であると、図７に示すように、バルブｖ１を閉、バルブｖ２を閉、バルブｖ３を開、バルブｖ４を開、ポンプＰをＯＦＦ、圧力付加手段をＯＮとして、冷却室２３内にガスを圧入して冷却室２３内の冷媒量を調整してから、燃料電池スタック１の発電を開始する。

これにより、発電開始時には燃料電池スタック１の熱容量は小さくなり、低温環境下での起動性が向上する。しかも、冷却室２３内の冷媒量（液面レベル）は、冷却室２３内のガス圧に応じて例えば図８に示すように変更できる。これにより、発電開始時には燃料電池スタック１の熱容量が燃料電池スタック１の温度に応じたものとして、温度に応じた最適な起動ができる。

次に、発電開始時における制御部３０の制御の流れの一例を図９を基に説明する。

図９に示すように、発電開始時の制御フローは、起動トリガー（例えば車両のイグニッションスイッチ）がオン状態になるのに応じて開始（ＳＴＡＲＴ）となり、ステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、制御部３０は、温度センサＴｓで検出した燃料電池スタック１の温度Ｔが、あらかじめ規定した第１の所定温度Ｔ１（例えば−５℃のような氷点下の所定温度）以上であるか否かを判別する。判定の結果、燃料電池スタック１の温度Ｔが第１の所定温度Ｔ１以下である場合、ステップＳ２に進む。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔが第１の所定温度Ｔ１以下である場合、低温条件ではないためステップＳ１１を経てステップＳ７にスキップする。

ステップＳ２の処理では、制御部３０は、バルブｖ２を開、バルブｖ４を閉、バルブｖ１を閉、バルブｖ３を開、とし、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３の処理では、制御部３０は、圧力付加手段２９が動作させて冷却室２３にガス圧力を付加し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４の処理では、制御部３０は、圧力付加手段２９によるガスの付加圧力Ｐが図９のマップＡの範囲内にあるか判別する。判定の結果、付加圧力Ｐがマップの範囲内にない場合は、再びステップＳ３に戻り、付加圧力ＰがマップＡの範囲内になるまで処理が繰り返され、燃料電池スタック１の温度Ｔに応じた付加圧力Ｐとされる。付加圧力ＰがマップＡの範囲内となると、ステップＳ５でバルブｖ４を閉め、続いてステップＳ６で圧力付加手段２９による圧力付加を停止し、続いてステップＳ７で発電を開始する。

このように燃料電池スタック１の冷却室２３にガス圧が付加されることによって、冷却室２３内の冷媒の一部または全部が押し出され、押し出されたぶんの冷媒が冷却室入口２３ａ→冷媒導入孔２４→導入側の配管Ｌ１→バイパスラインＬ３→導入側の配管Ｌ１を通じて冷媒タンク２７に戻される。これにより、発電開始時には燃料電池スタック１の熱容量は小さくなり、低温環境下での起動性が向上する。

しかも、燃料電池スタック１の温度が低ければ低いほどガス圧を高めて冷却室２３内の冷媒量を段階的（なお連続的でもよい）に少なくしているので、発電開始時には燃料電池スタック１の温度に応じた熱容量となり、最適な起動ができる。

また、ステップＳ５でバルブｖ４を閉めることで、圧力付加手段２９を停止させても冷却室２３内の圧力を維持して冷却室２３内の冷媒量（液面レベル）を保持できる。

次に、ステップＳ７で発電開始した後、ステップＳ８の処理では、制御部３０は、発電により温度が上昇しつつある燃料電池スタック１の温度Ｔが、あらかじめ規定した第２の所定温度Ｔ２（燃料電池スタック１の冷却が必要となる温度）以上であるか否かを判別する。判定の結果、燃料電池スタック１の温度Ｔが第２の所定温度Ｔ２未満である場合、第２の所定温度Ｔ２以上になるまで処理が繰り返される。そして、燃料電池スタック１の温度Ｔが第２の所定温度Ｔ２以上である場合、ステップＳ９、Ｓ１０に進んで燃料電池スタック１の冷却を開始するとともに発電開始時の処理を終え（ＥＮＤ）、図５に示すような通常運転状態に戻る。

以上のような制御とすることで、氷点下において、燃料電池スタック１の温度に応じた熱容量で発電を開始できる。

次に、第１実施形態の効果をまとめる。

（１）この第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、冷媒タンク２７と、燃料電池スタック１の発電部分に対応する位置に設けられ且つ冷媒が流通可能な冷却室２３と、冷媒タンク２７と冷却室入口２３ａとを接続する導入側の冷媒循環路Ｌ１、２４と、冷却室出口２３ｂと冷媒タンク２７とを接続する導出側の冷媒循環路２５、Ｌ２と、を備え、冷媒循環路（Ｌ１、２４、２５、Ｌ２）内の冷媒を残したまま冷却室２３内の冷媒を抜き入れする構造である。

そのため、燃料電池スタック内の冷媒に加えて燃料電池スタック１と冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒もすべて抜き取る従来技術（例えば特許文献１、２、３参照）とは異なり、冷媒タンク２７が大型化が避けられる。また、前記従来技術に比べ、冷却室２３から冷媒を抜く際には極めて抜き時間が短くて済むし、冷却室２３内に再び冷媒を充填する際には再充填する時間が極めて短くて済む。そのため、燃料電池スタック１の起動性が向上する。

（２）またこの燃料電池システムによれば、従来のような燃料電池スタック内と冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒もすべて抜き取る技術とは異なり、配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３内の冷媒を残しておきながら冷却室２３の冷媒を抜き取るので、冷媒の再充填時に配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の湾曲部で気泡が発生することがない。そのため燃料電池スタック１の冷却室２３内に気泡が留まってしまうなことが起こりにくく、通常運転時に燃料電池スタック１の冷却性能が低下するようなことが起こりにくい。

（３）また、この第１実施形態の燃料電池システムは、冷却室２３内の冷媒量を段階的または連続的に調整可能な冷媒量調整手段２９と、燃料電池スタック１の温度が氷点下の所定温度以下であると冷媒量調整手段２９を動作させて燃料電池スタック１の温度に応じた冷却室２３の冷媒量になるように制御する制御部３０と、を備える。

そのため、燃料電池スタック１の温度が氷点下の所定温度Ｔ１以下になった際には、燃料電池スタック１の温度に応じて、燃料電池スタック１の冷却室２３内の冷媒量を調整して燃料電池スタック１を最適な熱容量にできる。

（４）このとき、例えば図１０のマップＡのように低温になるに従って段階的または連続的に冷媒量を減らす制御にしておけば、燃料電池スタック１の温度が−３０℃などの極低温の時には、冷却室２３内の冷媒を最大限に抜いて燃料電池スタック１の昇温を速めるこでより速く通常運転に復帰できるとができ、また、燃料電池スタック１の温度が−５℃〜−１０℃程度の時には、冷却室２３内の冷媒の抜く量を少なくすることによって、より速く通常運転に復帰できる。

（５）また、この第１実施形態の燃料電池システムよれば、制御部３０は、燃料電池スタック１の発電開始時に冷媒量調整手段２９を動作させるものである。

そのため、燃料電池スタック１の発電停止中に、システムを動作する必要がなくなる。また、発電中に高温になった冷媒を、発電停止中に燃料電池スタック１の冷却室２３内に保持しておくことで、燃料電池スタック１の温度低下速度を遅くできて好ましい。また、発電停止時に、冷却室２３の冷媒量を調整する場合は発電開始時の燃料電池スタック１の温度を予測しなければならないが、発電開始時に冷却室２３の冷媒量を調整するのでこのような予測が不要である。

（６）また、この第１実施形態の燃料電池システムは、冷媒量調整手段２９が、冷却室２３内にガス圧を付加する圧力付加手段２９である。そのため、簡素な構成で冷媒量調整手段を構成できる。

また、冷媒量調整手段が圧力付加手段２９であるため、燃料電池システム内の既存の構成部品（例えば燃料電池スタック１に酸化ガスを圧送する酸化ガス供給手段や、燃料電池スタック１に燃料ガスを圧送する燃料ガス供給手段）などを圧力付加手段として兼用できる。この場合は、圧力付加手段２９を新たに設ける必要がなく、燃料電池システムの製造コストを低減できる。

（７）また、この第１実施形態の燃料電池システムによれば、付加する圧力については、冷媒タンク２７の重力方向の位置に関わる水頭圧から決めることができ、燃料電池スタック１と冷媒タンクの位置関係がどのような状態になっても圧力を調整するだけで容易に実現できる。

（８）また、この第１実施形態の燃料電池システムによれば、規定の圧力に達した後はバルブｖ４を閉じた後、圧力付加手段２９を停止させるため、圧力付加手段２９を停止さて冷却室２３内の圧力を維持して冷却室２３内の冷媒量（液面レベル）を保持できる。

なお、この第１実施形態では、バルブｖ２が冷却室出口２３ｂに近ければ近いほど、配管Ｌ２に残留する冷媒量が多くなる。

以下、その他の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態で第１実施形態と同一または類似の構造については同一符号を付して、その構造および作用効果の説明は省略する。

第２実施形態
図１１は本発明の第２実施形態を示す。

この第２実施形態と第１実施形態との相違点は、冷却室２３の上部に連通するガス導入部３１を冷却室入口２３ａまたは冷却室出口２３ｂとは別に設け、該ガス導入部３１を通じて冷却室２３内にガスを圧入する点である。この第２実施形態においても第１実施形態と同様に圧力付加手段２９で冷却室２３内にガス圧を付加することにより、冷却室２３内の冷媒量（液面レベル）を調整できる。

ここで第２実施形態の優位な点は、冷却室２３の重力方向上方からガス圧を付加するために第１実施形態のように冷却室入口２３ａと冷却室出口２３ｂのどちらかを一方を必ずしも重力方向上方に配置する必要がなく、これら冷却室入口２３ａと冷却室出口２３ｂを自由な位置に設計できる点である。結果、燃料ガス（アノードガス）用の貫通孔１８、１９および酸化ガス（カソードガス）の貫通孔２１、２２との位置関係において、冷媒用の貫通孔２４、２５の設計位置の自由度が増す。

また、この第２実施形態の他の優位な点は、第１実施形態では冷却室２３の冷媒量の調整時に冷媒が気体が入り込む部分（配管Ｌ２のバルブｖ２よりも冷却室出口２３ｂ側の部分）にも、そのまま冷媒を残すことができ、更に冷媒循環路（Ｌ１、Ｌ２、２４、２５）内に留めておく冷媒量を多くできる点である。このように冷媒循環路（Ｌ１、Ｌ２、２４、２５）内に留めておく冷媒量を多くできると、冷媒タンク２７の容量をさらに小さくできる。

第３実施形態
図１２、１３は本発明の第３実施形態を示す。

図１２、１３のようにこの第３実施形態では、冷却室入口２３ａおよび冷却室出口２３ｂがどちらも冷却室２３の下部に配置されている点で、冷却室入口２３ａおよび冷却室出口２３ｂが冷却室２３の上下方向中間部に設けられていた第２実施形態と異なる。

そのため、第３実施形態によれば、第２実施形態に比べて冷却室２３から抜き取る冷媒量を多くでき、制御の幅が広がり、好ましい（図１３ｃ参照）。

また、この第３形態によれば、冷媒導入孔２４および冷媒導出孔２５内にも完全に冷媒を残したまま（図１３ｃ参照）、冷却室２３内の冷媒をほとんど抜き取ることでできる。このように、冷媒導入孔２４および冷媒導出孔２５内にも完全に冷媒が残されているということは、冷媒タンク２７の容量をさらに小さくできる利点があるし、また、起動時に燃料電池スタック１が第２の所定温度Ｔ２に昇温した後にさらに早く冷却室２３内を満液にして通常運転に移行できる利点がある。

また、冷媒導入孔２４および冷媒導出孔２５内にも完全に冷媒が残されているということは、冷媒の再充填時に、配管だけではなく冷媒導入孔２４および冷媒導出孔２５内でも気泡が発生せず、冷却室２３にさらに気泡が溜まりにくくなる。

第３実施形態の第１変形例
図１４は第３実施形態の第１変形例である。

図１４の燃料電池システムでは、冷却室入口２３ａ（冷却室２３と貫通孔２４とを接続する部分）および冷却室出口２３ｂ（冷却室２３と貫通孔２５とを接続する部分）の通路断面積を細くした構造である。

この第３実施形態の第１変形例によれば、貫通孔２４、２５に冷媒を満たした状態のままで、第３実施形態よりもさらに冷却室２３の残留する冷媒量を少なくできる。

第３実施形態の第２変形例
図１５は第３実施形態の第２変形例である。

図１５の燃料電池システムでは、冷却室入口２３ａおよび冷却室出口２３ｂを冷却室２３の底面に開口させたこと構造である。

この第３実施形態の第２変形例によれば、貫通孔２４、２５に冷媒で満たした状態のままで、第３実施形態の第１変形例よりもさらに冷却室２３の残留する冷媒量を少なくでき、ほぼゼロにできる。

第４実施形態
図１６を本発明の第４実施形態を示す。

この第４実施形態と第２実施形態の差異は、圧力付加手段２９から冷却室２３にガスを導入するためのガス導入孔３１と、圧力付加手段２９と、の間の配管部分に、エア抜き用の配管Ｌ５を接続し、この配管Ｌ５にバルブｖ５を設けた点である。エア抜き用の配管Ｌ５のもう一方の先は、冷媒タンク２７の上部側の気相領域に接続されている。

この第４実施形態によれば、冷媒再充填時に万が一、冷却室２３内に気泡が入り込んだとしても、重力方向上方に位置しているガス導入孔３１から冷媒タンク２７に気泡を効率的に抜くことができる。また、図示していない気泡を検知するセンサーを設けることにより、気泡が検出されなくなったらバルブｖ５を閉じて通常の運転状態に戻すことも可能である。

以上要するに、本発明にあっては、冷媒循環路内の冷媒を残したまま冷却室内の冷媒を抜き入れする構造であため、燃料電池スタック１内の冷媒に加えて燃料電池スタックと冷媒タンクとを接続する配管内の冷媒も共に抜き取る従来技術（例えば特許文献１、２、３参照）とは異なり、冷媒タンクが大型化が避けられる。また、前記従来技術に比べ、冷却室から冷媒を抜く際には極めて抜き時間が短くて済むし、冷却室内に再び冷媒を充填する際には再充填する時間が極めて短くて済むため、燃料電池スタックの起動性が向上する。

なお、本発明にあっては、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、例えば以下のような変更が可能である。

上述の実施形態では、燃料電池スタック１の温度は導入側配管Ｌ１内の冷媒温度を測定する構成になっているが、本発明にあってはその限りではなく燃料電池セルの側面や内部などを測定してもよい。

また、上述の実施形態では、圧力付加手段２９を停止させても冷却室内の圧力を維持できるようにするバルブｖ４を備えた構造であるが、本発明では、このような冷却室内の圧力を保持するためのバルブを備えない構造であってもよい。

また、上述の実施形態では、冷却室から押し出した冷媒を冷媒タンクに向けて戻す構成としているが、本発明では冷媒タンクとは別のタンクを設けて、そのタンク内に冷却室から押し出した分の冷媒を溜める構成にしても良い。

また、本発明は、冷却室内から抜く冷媒量を調整するためのマップは図１０のマップＡに限定されるものではないし、また、マップを用いずに冷却室から抜く冷媒量を調整してもよい。

また、上述の実施形態では図９の制御フローを用いて燃料電池システムの冷却機構を制御しているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、例えば車両乗員が別途設けた操作部（例えばスイッチ）などを介して発電開始時の冷却室の冷媒量を制御しても良い。

また、上述の実施形態では、発電開始時に冷却室の冷媒量を調整しているが、例えば発電停止時に冷却室の冷媒量を調整してもよいし、発電停止中に冷媒量を逐次調整してもよい。

また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内でその他の変更も可能である。

本発明の燃料電池システムは、冷媒タンクの大型化が避けられ、また、冷却室から冷媒を抜く際には極めて抜き時間が短くてすみ、冷却室内に再び冷媒を充填する際には再充填する時間が極めて短くてすみ、これにより燃料電池スタックの起動性が向上するものであって、車両用以外にも、例えば定置用など、その他の用途に用いることができる。

図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略図。 図２は同燃料電池システムの燃料電池スタックの斜視図 図３は同燃料電池スタックの概略的な構造を示す一部分解部を含む斜視図。 図４は同燃料電池システムの制御系を示す概略図。 図５は同燃料電池システムの発電時（通常運転時）を示す概略図。 図６は同燃料電池システムの発電停止時を示す概略図。 図７は同燃料電池システムの低温下の発電開始時を示す概略図。 図８は同燃料電池システムの冷却室内の圧力を変えた際の冷却室内の冷媒量（液面レベル）の変化を示す図。 図９は同燃料電池システムの制御部の発電開始時の処理制御の流れを示すフローチャート図。 図１０は同燃料電池システムの冷却室内の冷媒量調整を調整する際に冷却室に付加する圧力を判定するマップの一例を示す図。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す概略図。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す概略図。 同第３実施形態において冷却室の圧力を変えた場合の冷却室内の冷媒量（液面レベル）を示す図。 第３実施形態の第１変形例の燃料電池システムを示す概略図。 第３実施形態の第２変形例の燃料電池システムを示す概略図。 第４実施形態の燃料電池システムを示す概略図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２３ 冷却室
２３ａ 冷却室入口
２３ｂ 冷却室出口
２４ 冷媒導入孔（導入側の冷媒循環路）
２５ 冷媒導出孔（導出側の冷媒循環路）
２７ 冷媒タンク
２９ 圧力付加手段（冷媒量調整手段）
３０…制御部
３１ ガス導入孔（ガス導入部）
Ｌ１ 導入側の配管（導入側の冷媒循環路）
Ｌ２ 導出側の配管（導出側の冷媒循環路）
Ｌ５ 気泡抜き用の配管
Ｐｓ 圧力センサ（圧力検出手段）
Ｔｓ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池セルを複数多段に積層した燃料電池スタックと、
   冷媒を貯留する冷媒タンクと、
   前記燃料電池スタックの発電部分に対応する位置に設けられ且つ前記冷媒が流通可能な冷却室と、
   前記冷媒タンクと前記冷却室の入口とを接続する導入側の冷媒循環路と、
   前記冷却室の出口と前記冷媒タンクとを接続する導出側の冷媒循環路と、
   を備え、
   前記冷媒循環路内の冷媒を残したまま前記冷却室内の冷媒を抜き入れすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却室内の冷媒量を調整可能な冷媒量調整手段と、
   前記燃料電池スタックの発電停止時または停止中または発電開始時に、前記冷媒量調整手段を動作させて前記燃料電池スタックの温度に応じた前記冷却室の冷媒量になるように制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電開始時に前記冷媒量調整手段を動作させて前記燃料電池スタックの温度に応じた前記冷却室の冷媒量になるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷媒量調整手段は、前記冷却室内にガスを導入する圧力を調整することで前記冷却室内の冷媒量を調整する圧力付加手段であることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却室の上部に連通するガス導入部を前記冷却室入口または冷却室出口とは別に設け、該ガス導入部を通じて前記冷却室内にガスを圧入することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却室の入口および前記冷却室の出口は、前記冷却室の下部に開口していることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却室の入口および前記冷却室の出口は、前記冷却室の底面に開口していることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項３〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス導入部の途中に、開閉自在のエア抜き開口部を備えることを特徴とする燃料電池システム。