JP5915691B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムに関する。

燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の燃料、例えば水素と、カソードに供給された酸素含有ガス中の酸素との電気化学反応を進行させて発電する。この反応は発熱を伴うものであることから、燃料電池は通常、冷媒により冷却され、その際、冷媒は燃料電池に循環供給される。

冷媒の循環供給を図る冷却系には、冷媒との熱交換を経て冷媒冷却を図る熱交換器や、流量調整等の機器が循環経路に組み込まれている。こうした機器や配管は、金属部品を用いる或いは金属製であるため、金属イオンが冷媒に溶出することが起き得る。こうしたイオン溶出は、冷媒の導電率の低下を招くので、燃料電池おける高電圧対処の観点から、種々の対処策が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１４４８４号公報

この特許公報では、熱交換機器であるラジエーターと燃料電池とを循環経路で繋いだ上で、ラジエーター側の第１バイパス流路と燃料電池側の第２バイパス流路とを設けている。こうした流路構成から、燃料電池に向かう冷媒を燃料電池の上流側で分流して、その分流した冷媒をイオン交換器に導いてイオン除去し、イオン除去後の冷媒を燃料電池より下流側にて循環経路を通過する冷媒に混ぜ合わせている。この混ざった冷媒は、燃料電池の上流側で分流されて、再度、イオン交換器にてイオン除去を受ける。そして、このイオン除去により、循環経路を通過する冷媒の伝導率の上昇を抑制し、高電圧対処がなされている。

一般に、燃料電池の運転停止期間にあっては、燃料電池の発電がない都合上、冷媒へのイオン溶出により冷媒がある程度まで低導電率となっても、特段の支障とならない。ところが、起動に伴い発電電圧が上がるため、燃料電池の起動に際しては、冷媒の導電率がある程度とはいえ低いままでは支障が起き得る。その一方、上記の特許公報で提案されたイオン除去技術では、燃料電池の上流側で分流した冷媒についてイオン除去を行う都合上、循環経路を通過する冷媒の導電率の低下抑制は、循環経路での冷媒の循環が繰り返される必要がある。このため、燃料電池の起動の際には、循環経路での冷媒循環がそれほど繰り返されていないためにイオン除去が十分とは言えず、大型のイオン交換器により、冷媒の導電率を低く保つ、或いはイオンの補足速度を高める必要があった。

本発明は、上述の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、燃料電池を起動させるに当たり、早期のうちに冷媒の導電率の低下を図ることを目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む冷媒の第１循環経路に冷媒を循環供給する第１冷媒系と、
前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む冷媒の第２循環経路に冷媒を循環供給する第２冷媒系と、
前記第１、第２の冷媒系による冷媒循環を制御するに当たり、前記燃料電池の起動に際しては、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行する循環制御手段とを備え、
前記第１冷媒系は、前記第１循環経路に組み込まれて冷媒の循環を図る第１ポンプを備え、前記第２冷媒系は、前記第２循環経路に組み込まれて冷媒の循環を図る第２ポンプを備え、前記循環制御手段は、前記優先期間に亘って前記第２ポンプを先行して駆動制御し、前記優先期間の経過後には前記第１ポンプと前記第２ポンプを駆動制御すると共に、前記優先期間に亘っては前記第２ポンプを所定時間ごとに間欠駆動し、該間欠駆動を先行実施した後、前記第２ポンプを連続駆動させる。

[適用１：燃料電池の冷却方法]
燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池の冷却方法であって、
前記燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む冷媒の第１循環経路を有する第１冷媒系と、前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む冷媒の第２循環経路を有する第２冷媒系とで電池冷却を図るに当たり、前記燃料電池の起動に際しては、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行し、
前記優先期間の経過後に、前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給と前記第１冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給とを併用して実行する
ことを要旨とする。

[適用２：燃料電池システム]
燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む冷媒の第１循環経路に冷媒を循環供給する第１冷媒系と、
前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む冷媒の第２循環経路に冷媒を循環供給する第２冷媒系と、
前記第１、第２の冷媒系による冷媒循環を制御するに当たり、前記燃料電池の起動に際しては、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行する循環制御手段とを備える、
ことを要旨とする。

上記構成の燃料電池の冷却方法および燃料電池システムでは、燃料電池の起動に際して、優先期間に亘って第２冷媒系による燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行する。第２冷媒系の第２循環経路を通過する全ての冷媒は、この優先期間の当初から、燃料電池の電池内冷媒流路を循環経由した上で、イオン交換器を繰り返し通過して、イオン除去に処される。よって、第２循環経路を通過する冷媒に溶出しているイオンは、優先期間において効率よく除去される。このため、燃料電池の電池内冷媒流路はもとより当該流路を含む第２冷媒系の循環経路では、優先期間において速やかに低導電率とされた冷媒が循環する状況となる。この結果、上記構成を備える燃料電池の冷却方法と燃料電池システムによれば、冷媒が介在することで起きる燃料電池の絶縁性低下を、燃料電池の起動に際して早期のうちに高い実効性で回避できる。

この場合、第２冷媒系による燃料電池への冷媒の循環供給を優先実行するに当たっては、燃料電池の起動後から優先期間に亘って行うことができるほか、燃料電池の起動の前からの優先期間に亘って行うようにできる。後者であれば、冷媒を低導電率とした状況下で、燃料電池を起動できる。

そして、優先期間の経過後には、上記したように第２冷媒系による燃料電池への冷媒の循環供給と共に、第１冷媒系による燃料電池への冷媒の循環供給も行うことができる。第１冷媒系には冷媒冷却機器が含まれていることから、第１冷媒系による冷媒循環供給後にあっては、冷媒冷却機器により冷却された冷媒を燃料電池に循環供給できる。よって、燃料電池の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。しかも、上記構成の燃料電池システムでは、第１冷媒系による冷媒循環供給後にあっても、冷媒冷却機器を有しない第２冷媒系での冷媒の循環供給が可能となる。冷媒冷却機器を有しない第２冷媒系で循環供給される冷媒は循環系で冷却されないことから、この未冷却の冷媒を第１冷媒系での冷媒と共に燃料電池に循環供給できるので、第１冷媒系において冷媒冷却機器をバイパスするバイパス流路を省略できる。この結果、冷媒冷却機器を、これをバイパスするバイパス流路がない分だけ燃料電池に近接できるので、燃料電池や冷媒系を含む燃料電池システムの搭載或いは設置スペースの省スペース化を図ることができる。例えば、燃料電池システムを搭載した車両では、車両前方側のフードの下方領域のスペースが車両スタイルにより制限されるが、冷媒冷却機器と燃料電池の近接により、フードの下方領域に上記した燃料電池システムのほぼ全部を搭載できる。

上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記第２冷媒系の前記第２循環経路を循環する冷媒の熱容量を、前記第１冷媒系の前記第１循環経路を循環する冷媒の熱容量より小さくすることができる。こうすれば、次の利点がある。

通常、燃料電池は、発電単位のセルを積層したスタック構造を取り、各セルにガスを供給する。各セルには、電池内のガス供給経路を経てガス供給がなされるが、スタック構造を取るため、各セルへのガス供給を一律にすることは難しく、セルの積層位置、例えば、電池内のガス供給経路のガス流入側とそれより下流側では、セルごとのガス供給に差が生じ得る。このため、セルごとの発電のための電気化学反応の進行程度にも差が生じ、発電に伴うセルごとの温度状況も異なることがある。各セル冷却のための電池内冷媒流路を流れる冷媒については、セルの積層位置や電池内冷媒流路構成等により、冷媒の流れ易さなどが異なることが有り得る。特に、燃料電池の起動当初では、それまでなされていなかったガス供給や冷媒循環が開始されるので、上記したセルごとの温度状況の差異が顕著であると予想される。

上記したように第１、第２の冷媒系での冷媒容量に大小を持たせた形態の燃料電池システムでは、燃料電池の起動に際しての優先期間における冷媒循環を、熱容量の小さい第２冷媒系で行う。よって、各セルと循環冷媒との間の熱授受が速やかとなり、セルごとの温度の早期の均一化に有益となる。この場合、第２冷媒系の冷媒容量の小容量化は、第２冷媒系の第２循環経路の経路長を短くすること、つまり、第２冷媒系のイオン交換器を第１冷媒系の冷媒冷却機器よりも燃料電池側に配置することで、で容易に達成できる。

また、第１、第２の冷媒系のそれぞれの循環経路にポンプ（第１ポンプ、第２ポンプ）を組み混んで冷媒循環を図るようにした上で、前記優先期間に亘って第２ポンプを先行して駆動制御するようにすることもできる。こうすれば、ポンプ制御という簡単な制御で、優先期間における冷媒の速やかな低導電率化およびこれに伴う燃料電池の絶縁性低下の回避を図ることができる。この場合、第１、第２の冷媒系に冷媒容量の大小設定が上記したようになされていれば、第２冷媒系の第２ポンプを小吐出容量の小型ポンプとでき、システムの小型化を図ることができる。

また、前記第２冷媒系を、前記第２循環経路とこれに組み込まれた前記第２ポンプと前記イオン交換器ごと、絶縁性のカバーにて覆うようにすることもできる。第２冷媒系が燃料電池に近接すると、第２循環経路は燃料電池とほぼ同電位となるが、絶縁カバーで覆うことで、電池周囲に対する燃料電池の絶縁を図ることができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 第２冷却系４０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 第１冷却系２０と第２冷却系４０とを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 第１冷却系２０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 システム起動に伴ってなされる起動時冷媒循環制御の処理内容を示すフロートである。 起動時冷媒循環制御におけるポンプ駆動の様子を示す説明図である。 燃料電池システム１０を車両２００に搭載した様子を車両上方から概略的に示す説明図である。 図２相当図であり第２実施例の第２冷却系４０Ａとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 図３相当図であり第１冷却系２０と第２冷却系４０Ａとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 図２相当図であり第３実施例の第２冷却系４０Ｂとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 図３相当図であり第３実施例において第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｂとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 図４相当図であり第３実施例において第１冷却系２０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 燃料電池システム１０Ｂを車両２００Ａに搭載した様子を車両上方から概略的に示す説明図である。 図１０相当図であり第４実施例の第２冷却系４０Ｃとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。 第２冷却系４０と燃料電池１２の組み付けの様子を模式的に示す説明図である。 イオン交換経路１３２において冷媒の熱交換を図るようにした変形例を示す説明図である。 起動時冷媒循環制御をシステム起動とタイム差を持って行う場合の概略的な電気構成を示す説明図である。 図２相当図であり共通のポンプで冷媒循環を行う変形例における第２冷却系４０Ｅでの冷媒循環の様子を模式的に示す説明図である。 図３相当図であり第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｅとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は図１は本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２を備え、この燃料電池１２を第１冷却系２０と第２冷却系４０とで冷却する。この燃料電池システム１０は、上記した第１冷却系２０の他、燃料電池１２へのガス供給を図る水素ガス供給系や空気供給系を備えるが、本発明の要旨とは直接関連しないので、その説明は省略する。また、燃料電池１２は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた図示しない膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成されるが、この点についても本発明の要旨とは直接関連しないので、その説明は省略する。

第１冷却系２０は、燃料電池１２とラジエーター３０とを、詳しくは燃料電池１２の内部における電池内冷媒流路１３とラジエーター３０とを繋ぐ第１循環経路２２と、当該経路に組み込まれた第１ポンプ２８とを備える。そして、この第１冷却系２０は、第１ポンプ２８の駆動により冷媒を第１循環経路２２に循環させ、ラジエーター３０にて熱交換した冷却済み冷媒を電池内冷媒流路１３に導き、燃料電池１２の各セルを所定温度に冷却する。この場合、燃料電池１２の運転時（発電運転時）における第１ポンプ２８の駆動量、即ち冷媒の循環供給量は、燃料電池温度や発電状況に基づいて、制御装置５０にて定められる。

第２冷却系４０は、第１循環経路２２におけるイン側の分岐点２３ｉｎとアウト側の分岐点２３ｏｕｔとを結ぶイオン交換経路３２に、イオン交換器４１と第２ポンプ４２とを組み込んで備える。第２冷却系４０は、イオン交換経路３２と、分岐点２３ｉｎからの分岐点下流経路２２ａと、分岐点２３ｏｕｔまでの分岐点上流経路２２ｂとで、電池内冷媒流路１３とイオン交換器４１とを含む冷媒の第２循環経路４４（図２参照）を形成する。そして、この第２冷却系４０は、第２ポンプ４２の駆動により冷媒を第２循環経路４４に循環させ、この第２循環経路４４、詳しくはイオン交換経路３２を通過する全ての冷媒を、イオン交換器４１によるイオン除去に処し、イオン除去後の冷媒を電池内冷媒流路１３に導く。こうして導かれた冷媒は、電池内冷媒流路１３を通過する間に燃料電池１２の各セルとの間で熱の授受を行う。

上記した第１冷却系２０と第２冷却系４０とは、共に燃料電池１２の冷却に寄与するものの、第１冷却系２０は電池冷却だけの機能を果たし、第２冷却系４０にあっては、循環する冷媒からのイン除去を主機能とした上で、電池冷却の機能も果たす。これについては、後述する。こうした相違から、第１冷却系２０と第２冷却系４０では、次の点において相違する。

第１冷却系２０は、第１循環経路２２にラジエーター３０を含み、このラジエーター３０は、その内部に冷媒との熱交換を図るための屈曲或いは螺旋状等の熱交換流路を備える。一方、第２冷却系４０は、第１循環経路２２に分岐形成されたイオン交換経路３２にイオン交換器４１を含み、このイオン交換器４１にあっては、筒状の冷媒通過管路しか備えない。しかも、図１に示すように、イオン交換器４１は、燃料電池１２の側に近接し、ラジエーター３０については燃料電池１２から離して設置されている。このため、第２冷却系４０は、第２循環経路４４の循環経路長を第１冷却系２０における第１循環経路２２の１／２〜１／４程度しか備えないことになる。よって、第２冷却系４０の第２循環経路４４を循環する冷媒の熱容量は、第１冷却系２０の第１循環経路２２を循環する冷媒の熱容量より小さくされていることになる。

また、上記した経路長の長短と機能の相違から、第２冷却系４０の第２ポンプ４２は、第１冷却系２０に含まれる第１ポンプ２８よりその冷媒循環能力（送り出し能力）は小さくて済む。このため、本実施例では、第２ポンプ４２を１２Ｖにて駆動する小容量の小型ポンプとし、第１ポンプ２８については、２４Ｖを駆動電圧とする大容量のポンプとした。

制御装置５０は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、燃料電池システム１０の種々の制御を司る。例えば、制御装置５０は、図示しない負荷センサーからの入力を受けて燃料電池１２への水素・空気の供給量を定め、その定めた供給量での水素供給と空気供給ができるよう、図示しないバルブ等を駆動制御する。この他、制御装置５０は、燃料電池１２の出口側において第１循環経路２２に設けた温度センサー３１や図示しないシステム起動スイッチ等からの入力を受けて、第１ポンプ２８や第２ポンプ４２を駆動制御する。

次に、上記した第１冷却系２０と第２冷却系４０による冷媒循環の様子を説明する。図２は第２冷却系４０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図、図３は第１冷却系２０と第２冷却系４０とを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図、図４は第１冷却系２０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

図２に示す第２冷却系４０だけでの冷媒循環では、第１冷却系２０の第１ポンプ２８は停止され、第２冷却系４０の第２ポンプ４２だけが駆動する。この第２ポンプ４２は、イオン交換経路３２の流路内冷媒を分岐点２３ｉｎの側に向けて送り出す。分岐点２３ｉｎに達した冷媒は、当該分岐点からラジエーター３０の側と燃料電池１２の側に別れて経路内を流れようとする。ところが、第１ポンプ２８が停止されていること、および第１冷却系２０の循環経路長が長くラジエーター３０にあっては螺旋等の熱交換流路を有するために冷媒送り出しの抵抗（内部流路抵抗）が大きいことから、分岐点２３ｉｎに達した冷媒は、当該分岐点からラジエーター３０の側には流れず、燃料電池１２の側に流れ込む。このため、第２ポンプ４２は、分岐点下流経路２２ａ、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３、分岐点上流経路２２ｂおよびイオン交換経路３２の順に冷媒を第２循環経路４４にて循環させる。こうした冷媒循環の際、第２循環経路４４にて循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。

図３に示す第１冷却系２０と第２冷却系４０の併用循環では、第１ポンプ２８と第２ポンプ４２の両ポンプは駆動する。第１冷却系２０の第１ポンプ２８は、大容量であるため、経路長が長い第１循環経路２２において、冷媒を支障なく循環させ、ラジエーター３０により冷却された冷媒を燃料電池１２に循環供給できる。これにより、燃料電池１２の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。図３の併用循環では、第２冷却系４０の第２ポンプ４２も駆動していることから、分岐点２３ｏｕｔに達した冷媒の一部は、イオン交換経路３２を経て分岐点２３ｉｎに達する。この分岐点２３ｉｎでは、大容量の第１ポンプ２８による冷媒送り出しにより、燃料電池１２に向けて冷媒が流れているので、分岐点２３ｉｎに達した冷媒は、当該分岐点から第１循環経路２２に戻されて循環する。つまり、イオン交換経路３２を通過する冷媒は、燃料電池１２の通過の後にラジエーター３０に達することなく燃料電池１２を循環し、このイオン交換経路３２には冷媒の熱交換機能を果たす機器が含まれていないことから、イオン交換経路３２は、第１冷却系２０におけるラジエーター３０のバイパス機能を果たす。その上で、イオン交換経路３２を通過する全ての冷媒は、イオン交換器４１によるイオン除去に処される。

図４に示す第１冷却系２０だけでの冷媒循環では、第１冷却系２０の第１ポンプ２８のみが駆動し、第２冷却系４０の第２ポンプ４２は停止している。このため、第１ポンプ２８に送り出された全ての冷媒は、第１循環経路２２のラジエーター３０にて冷却された後に燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環する。よって、図３で示したように第２冷却系４０によるラジエーター３０のバイパスが無用な場合は、図４の冷媒循環を図ればよい。そして、制御装置５０は、燃料電池１２の運転期間において、電池冷却の状況によって図３の併用循環と図４の第１冷却系２０だけの循環を使い分けることになる。

次に、燃料電池システム１０の起動に当たって制御装置５０が行う起動時冷媒循環制御について説明する。図５はシステム起動に伴ってなされる起動時冷媒循環制御の処理内容を示すフロート、図６は起動時冷媒循環制御におけるポンプ駆動の様子を示す説明図である。

図５の起動時冷媒循環制御は、図示しないシステム起動スイッチのオン操作に伴って開始され、まず、制御装置５０は、温度センサー３１（図１参照）の燃料電池温度（ＦＣ温度Ｔｆｃ）を入力し（ステップＳ１００）、そのＦＣ温度Ｔｆｃが所定の比較温度（第１比較温度Ｔα）を超えているか否かを判定する。この起動時冷媒循環制御は、システム起動に伴うものであることから、燃料電池システム１０は、それ以前に停止状態である。よって、ＦＣ温度Ｔｆｃは、システム停止期間が長ければ外気温にほぼ近くなり、図５の起動時冷媒循環制御の都度、同じとは限らない。こうしたことを考慮して、本実施例では、第１比較温度Ｔαについては、燃料電池１２を起動させた後のその運転に伴う推定発熱量を勘案して定めた。例えば、この第１比較温度Ｔαを予め燃料電池温度ごとに定めてマップ状に記憶しておき、ステップＳ１００のＦＣ温度Ｔｆｃの入力と共に読み込むようにすればよい。そして、ステップＳ１１０にてＦＣ温度Ｔｆｃがこの第１比較温度Ｔαに達していないと否定判定すれば、一旦、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ１１０では、システム起動スイッチのオン操作後の経過時間（発電時間）にて判定することもできる。

ステップＳ１１０で、ＦＣ温度Ｔｆｃがこの第１比較温度Ｔαに達していると肯定判定すれば、制御装置５０は、第２ポンプ４２に間欠運転の制御信号を出力し、当該ポンプを間欠的に運転させる（ステップＳ１２０）。これにより、図６に示すように、第２ポンプ４２は間欠的に駆動するので、第２冷却系４０では、ポンプの間欠駆動波形に即して、冷媒が循環供給する。この際、第１ポンプ２８は停止したままである。よって、冷媒循環は、図２で示したように第２冷却系４０だけでの循環となり、既述したように、循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。そして、冷媒は、電池内冷媒流路１３の循環経由の際に、燃料電池１２の各セルとの間で熱授受を行う。しかも、この冷媒循環は、間欠的であることから、循環停止の期間では、冷媒の流れがないので、各セルとの熱授受が効率的になされる。通常、システム起動時ではＦＣ温度ＴｆｃがＦＣ温度より低いので、上記の熱交換により、燃料電池１２の各セルからは熱が奪われ、冷媒温度は上昇する。そして、この昇温した冷媒が第２冷却系４０の第２循環経路４４（図２参照）を循環する。

本実施例では、上記したように第２ポンプ４２を間欠運転するに当たり、その際のポンプ出力を、第２ポンプ４２を定常的に運転する場合のほぼ半分の出力とした。よって、間欠運転の一度当たりの冷媒送り量も少なくなるので、上記した各セルと冷媒との熱交換（熱奪取）を進めることができる。

ステップＳ１２０に続くステップＳ１３０では、制御装置５０は、ＦＣ温度Ｔｆｃが所定の比較温度（第２比較温度Ｔβ）を超えているか否かを判定する。本実施例では、この第２比較温度Ｔβを、燃料電池１２が定常運転している場合のＦＣ温度（定常ＦＣ温度Ｔｎ）より若干低い温度に設定した。よって、ステップＳ１３０での判定は、燃料電池１２の運転状況が定常運転に近づいているかの判定ともなる。

上記のステップＳ１３０でＦＣ温度Ｔｆｃがこの第２比較温度Ｔβに達していないと否定判定すれば、一旦、本ルーチンを終了する。これにより、第２ポンプ４２の間欠運転が継続されることになる。その一方、ステップＳ１３０でＦＣ温度Ｔｆｃがこの第２比較温度Ｔβに達したと肯定判定すれば、制御装置５０は、第２ポンプ４２の運転の間欠運転から連続運転への切換（ステップＳ１４０）と、第１冷却系２０の第１ポンプ２８の駆動（連続運転）と（ステップＳ１５０）を順次行い、本ルーチンを終了する。つまり、制御装置５０は、少なくとも、ステップＳ１３０にてＦＣ温度Ｔｆｃが第２比較温度Ｔβに達したと肯定判定するまでの優先期間に亘って、第２冷却系４０の第２循環経路４４による燃料電池１２への冷媒循環供給を先行して実行する。

この場合、ステップＳ１４０における第２ポンプ４２の連続運転を、図６に示すように、それまでの間欠運転におけるポンプ出力を定常運定時のポンプ出力に徐々に上げるようにすることができる。そして、ステップＳ１５０の第１ポンプ２８の駆動については、ステップＳ１４０の運転切換と当時に実行できるほか、この運転切換に遅延して行うようにすることもできる。つまり、図６に示すように、ＦＣ温度Ｔｆｃが定常ＦＣ温度Ｔｎに達すると、第２ポンプ４２についてはこれを定常運転とした上で、第１ポンプ２８の駆動を行うようにできる。こうすれば、第２ポンプ４２の運転を優先させる優先期間は、第１ポンプ２８の駆動開始時点までとなる。

上記した起動時冷媒循環制御は、ステップＳ１５０での第１ポンプ２８の駆動により終了するが、燃料電池１２の冷媒による冷却は継続して必要となる。よって、起動時冷媒循環制御の終了後、制御装置５０は、温度センサー３１の検出したＦＣ温度や燃料電池１２の発電状況等に基づいて、第１ポンプ２８の駆動制御、或いは、第２ポンプ４２を併用した駆動制御を継続して冷媒の循環供給を図る。例えば、第１ポンプ２８を駆動制御しつつ、第２ポンプ４２についてもこれを定常出力で連続運転することができる。こうすれば、図３で説明したように第１冷却系２０と第２冷却系４０との冷媒循環により、燃料電池１２の冷却効果を高めることができるほか、イオン交換経路３２は、ラジエーター３０のバイパス機能を果たした上で、イオン交換器４１にてイオン除去が可能となる。この際、第２冷却系４０の冷媒は、第２ポンプ４２の送り出しにより第１冷却系２０の流れに乗って第１冷却系２０の冷媒に混ざるので、冷媒合流に際しての圧力損失を招かないようにできる。こうして第２ポンプ４２を第１ポンプ２８と併用して制御するに当たり、第１ポンプ２８が例えば発電状況に応じて高回転数で回転している場合に、第２ポンプ４２を駆動制御するようにすることもできる。また、図６に点線で示したように、第２ポンプ４２を一時的に停止するように駆動制御することもできる。こうすれば、その停止の間の冷媒循環は、図４で示した第１冷却系２０だけのものとなって、ラジエーター３０で冷却済みの冷媒が全て燃料電池１２を循環するので、燃料電池１２の効率的な冷却が可能となる。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池１２の起動に際して、ＦＣ温度Ｔｆｃが少なくとも第２比較温度Ｔβに達するまでの優先期間に亘り、第１ポンプ２８を停止したまま第２ポンプ４２を駆動することで、第２冷却系４０による燃料電池１２への冷媒の循環供給を先行して実行する（ステップＳ１１０〜１２０）。この優先期間における冷媒循環は、図２で説明したように第２ポンプ４２が小容量ポンプであること等により、第２冷却系４０の第２循環経路４４だけでなされる。このため、この第２循環経路４４を通過する全ての冷媒を、優先期間の当初から、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過させて、イオン除去に処する。よって、第２循環経路４４を通過する冷媒に溶出しているイオンは、優先期間において効率よく除去されるので、電池内冷媒流路１３はもとより当該流路を含む第２冷却系４０の第２循環経路４４では、優先期間において速やかに低導電率とされた冷媒が循環する状況となる。この結果、本実施例の燃料電池システム１０によれば、冷媒が介在することで起きる燃料電池１２の絶縁性低下を、燃料電池１２の起動に際して早期のうちに高い実効性で回避できる。

そして、ステップＳ１５０にて第１ポンプ２８の駆動による第１冷却系２０での冷媒循環を開始した優先期間の経過後には、第２冷却系４０による燃料電池１２への冷媒の循環供給と共に、第１冷却系２０による燃料電池１２への冷媒の循環供給も行うことができる（図６参照）。このため、第１冷却系２０に含まれるラジエーター３０にて冷却済みの冷媒を燃料電池１２に循環供給できるので、燃料電池１２の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。しかも、本実施例の燃料電池システム１０では、第１冷却系２０による冷媒循環供給後において、第２冷却系４０での冷媒循環供給を併用することで、燃料電池１２を通過した一部の冷媒をラジエーター３０をバイパスして燃料電池１２に循環できる。このため、第１冷却系２０においてラジエーター３０をバイパスするバイパス流路を省略できる。この結果、ラジエーター３０を、これをバイパスするバイパス流路がない分だけ燃料電池１２に近接できるので、燃料電池システム１０の搭載或いは設置スペースの省スペース化を図ることができる。図７は燃料電池システム１０を車両２００に搭載した様子を車両上方から概略的に示す説明図である。車両２００の前方に当たるフード２００Ｆの下方領域は、車両スタイルによっては狭くて機器設置に制約を受け得るが、本実施例の燃料電池システム１０にあっては、図７に示すように、燃料電池１２をラジエーター３０に近づけてフード２００Ｆの下方領域に支障なく搭載できる。なお、こうした搭載に当たっては、車体幅方向左右において車両前後に延びる図示しないサイドフレームに掛け渡された図示しないクロスフレームに、燃料電池１２を載置固定すればよい。

また、本実施例の燃料電池システム１０では、第２冷却系４０の第２ポンプ４２を燃料電池１２の側に配設して、第２循環経路４４（図２参照）を経路長を第１冷却系２０の第１循環経路２２より短くした。このため、第２循環経路４４を循環する冷媒の熱容量を、ラジエーター３０を含む第１循環経路２２を循環する冷媒の熱容量より小さくした。このため、次のような効果を奏することができる。

図１に示すように、燃料電池１２における電池内冷媒流路１３は、積層された各セルに対応して冷媒循環するよう電池内で分岐している。このため、冷媒流入側と流路末端側とでは、冷媒循環の様子に違いが起き得る。このようにセル位置に応じた違いは、図示しないガス供給についても生じる。よって、ガス供給状況および冷媒循環状況の相違により、各セルの温度状況にも差が生じ得る。特に、それまで停止していた燃料電池１２の起動当初では、セルごとの温度状況の差異は顕著となると予想される。

こうした状況を踏まえ、本実施例の燃料電池システム１０では、先に説明した優先期間における第２冷却系４０だけでの冷媒循環を、熱容量が小さい状況下で行うようにした。第２循環経路４４を循環して電池内冷媒流路１３に入り込んだ冷媒は、熱容量が小さい分だけ、各セルとの間で速やかに熱授受を行う。優先期間では、それ以前の運転停止により、通常、ＦＣ温度Ｔｆｃは外気温程度まで低下しているので、冷媒は、熱容量が小さい故に各セルから速やかに熱を奪った上で循環する。このため、例えば、電池内冷媒流路１３の流路末端側のセルの温度が低いとしても、このセルおよび他のセルから熱を奪って昇温した冷媒がこの流路末端側のセルにも循環して流れることから、セルごとの温度を早期のうちに均一化できる。このことは、燃料電池１２を早期のうちに安定化できることを意味する。そして、こうした第２循環経路４４の小熱容量化は、第２ポンプ４２を燃料電池１２の側に設置して経路長を短くするだけで済み、簡便である。

しかも、本実施例の燃料電池システム１０では、上記したように第２循環経路４４の循環冷媒の熱容量を小さくした上で、優先期間における第２ポンプ４２の駆動を間欠駆動とした（ステップＳ１２０、図６）。このため、電池内冷媒流路１３では、冷媒循環は間欠的に起き（間欠循環）、循環停止の期間では冷媒が流れないようにして、各セルとの熱授受（熱奪取）をより効率的に行うことができるので、セルごとの温度均一化の実効性が高まる。これに加え、本実施例の燃料電池システム１０では、優先期間における第２ポンプ４２の間欠運転を、第２ポンプ４２を定常的に運転する場合のほぼ半分のポンプ出力とした。よって、間欠運転の一度当たりの冷媒送り量を少なくした上で、流れない冷媒での熱奪取をより確実なものとして、セルごとの温度均一化の実効性をより高めることができる。例えば、燃料電池システム１０を搭載した車両２００が低温度環境下で停止していた場合、ＦＣ温度も低下して各セルも低温であるが、上記した優先期間における第２循環経路４４の間欠循環により、各セルの温度を速やかに均一化でき、起動性を高めることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０では、第１冷却系２０の第１ポンプ２８と第２冷却系４０の第２ポンプ４２とを、先行駆動を考慮して制御するだけで済むので、ポンプ制御という簡単な制御で、冷媒の速やかな低導電率化およびこれに伴う燃料電池１２の絶縁性低下の回避を図ることができる。しかも、第２循環経路４４については、既述したように小熱容量化としたので、第２ポンプ４２については小吐出容量の小型ポンプとでき、システムの小型化を図ることができる。

次に、他の実施例について説明する。図８は図２相当図であり第２実施例の第２冷却系４０Ａとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図、図９は図３相当図であり第１冷却系２０と第２冷却系４０Ａとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

図８に示すように、この実施例の燃料電池システム１０Ａでは、第２ポンプ４２を分岐点２３ｏｕｔの側に向くようイオン交換経路３２に設置する。そして、第２循環経路４４Ａは、第２ポンプ４２から、分岐点上流経路２２ｂ、電池内冷媒流路１３および分岐点下流経路２２ａの順の経路として形成される。この実施例では、第２ポンプ４２により、イオン交換経路３２の流路内冷媒を分岐点２３ｏｕｔの側に向けて送り出す。分岐点２３ｏｕｔに達した冷媒は、当該分岐点からラジエーター３０の側と燃料電池１２の側に別れて経路内を流れようとする。ところが、第１ポンプ２８が停止されていること、およびラジエーター３０の既述した大きな内部流路抵抗のため、分岐点２３ｏｕｔに達した冷媒は、当該分岐点からラジエーター３０の側には流れず、燃料電池１２の側に流れ込む。このため、第２ポンプ４２は、分岐点上流経路２２ｂ、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３、分岐点下流経路２２ａおよびイオン交換経路３２の順に冷媒を第２循環経路４４Ａにて循環させる。こうした冷媒循環の際、第２循環経路４４Ａにて循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。つまり、図２で説明した第２循環経路４４での冷媒循環と変わるものではない。

図９に示す第１冷却系２０と第２冷却系４０Ａの併用循環では、第１ポンプ２８と第２ポンプ４２の両ポンプは駆動する。第１冷却系２０の第１ポンプ２８は、大容量であるため、経路長が長い第１循環経路２２において、冷媒を支障なく循環させ、ラジエーター３０により冷却された冷媒を燃料電池１２に循環供給できる。これにより、燃料電池１２の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。図９の併用循環では、第２冷却系４０の第２ポンプ４２も駆動していることから、分岐点２３ｉｎに達した冷媒の一部は、イオン交換経路３２を経て分岐点２３ｏｕｔに達する。この分岐点２３ｏｕｔでは、大容量の第１ポンプ２８による冷媒送り出しにより、ラジエーター３０に向けて冷媒が流れているので、分岐点２３ｏｕｔに達した冷媒は、当該分岐点から第１循環経路２２に戻されて循環する。このような冷媒循環がなされても、ラジエーター３０で冷却済みの冷媒は、その大部分が分岐点２３ｉｎを経て燃料電池１２に流れ込むので、燃料電池１２の冷却に支障はない。こうした冷媒循環の際、分岐点２３ｉｎからイオン交換経路３２に流れ込んだ全ての冷媒は、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。なお、第１冷却系２０だけでの冷媒循環は、図４で説明した場合と同じである。

上記した実施例の燃料電池システム１０Ａにあっても、図５に示した起動時冷媒循環制御を行うことで、既述した効果を奏することができる。

次に、第１、第２の循環経路の経路構成を異なるものとした実施例について説明する。図１０は図２相当図であり第３実施例の第２冷却系４０Ｂとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図、図１１は図３相当図であり第３実施例において第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｂとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図、図１２は図４相当図であり第３実施例において第１冷却系２０だけで冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

図１０に示すように、この実施例の燃料電池システム１０Ｂでは、第１冷却系２０における第１循環経路２２と第２冷却系４０Ｂにおける第２循環経路４４Ｂとを、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３に対してその両側から繋いでいる。つまり、第１冷却系２０は、第１循環経路２２を、燃料電池１２の一方の側において、電池内冷媒流路１３のインポート２２ｉｎとアウトポート２２ｏｕｔとに繋ぎ、電池内冷媒流路１３に冷媒を循環供給する。第２冷却系４０Ｂは、イオン交換器４１と第２ポンプ４２を含むイオン交換経路１３２を、燃料電池１２の他方の側にて電池内冷媒流路１３に繋ぎ、イオン交換経路１３２と電池内冷媒流路１３の第２循環経路４４Ｂを形成する。上記した経路接続を有することから、燃料電池システム１０Ｂでは、ラジエーター３０とイオン交換器４１とを燃料電池１２を挟んで配置することが可能である。なお、上記した経路接続を取れば、ラジエーター３０とイオン交換器４１とを燃料電池１２の同じ側に配置することもできる。この点については、後述する。

この燃料電池システム１０Ｂでは、第２ポンプ４２により、イオン交換経路１３２の流路内冷媒を燃料電池１２の電池内冷媒流路１３における下流側、即ちアウトポート２２ｏｕｔの側に向けて送り出す。アウトポート２２ｏｕｔに達した冷媒は、当該ポートを通過してラジエーター３０の側に経路内を流れようとする。ところが、第１ポンプ２８が停止されていること、およびラジエーター３０の既述した大きな内部流路抵抗のため、アウトポート２２ｏｕｔに達した冷媒は、当該ポートからラジエーター３０の側には流れず、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を通過する。電池内冷媒流路１３を通過した冷媒は、図示するようにセルを通過してインポート２２ｉｎの側に達するが、当該ポートにあっても第１ポンプ２８の停止およびラジエーター３０の内部抵抗により、イオン交換経路１３２に流れ出す。このため、第２ポンプ４２は、イオン交換経路１３２とその両側で繋がった燃料電池１２の電池内冷媒流路１３とからなる第２循環経路４４Ｂにて冷媒を循環させる。こうした冷媒循環の際、第２循環経路４４Ｂにて循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。つまり、図２で説明した第２循環経路４４での冷媒循環と変わるものではない。

図１１に示す第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｂの併用循環では、第１ポンプ２８と第２ポンプ４２の両ポンプは駆動する。第１冷却系２０の第１ポンプ２８と、第２冷却系４０Ｂの第２ポンプ４２とは、容量の大小で相違するものの、同時に駆動する。そして、第１ポンプ２８で送り出された冷媒は、インポート２２ｉｎから電池内冷媒流路１３に流れ込む。この冷媒の流れは、上記した第２冷却系４０Ｂのイオン交換器４１による冷媒の流れと同じであるが、第１ポンプ２８と第２ポンプ４２の容量の相違から、電池内冷媒流路１３に流れ込んだ冷媒は、当該流路を通過し、アウトポート２２ｏｕｔを経てラジエーター３０に流れる。つまり、第１冷却系２０は、第１ポンプ２８により第１循環経路２２において冷媒を支障なく循環させ、ラジエーター３０により冷却された冷媒を燃料電池１２に循環供給する。これにより、燃料電池１２の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。図１１の併用循環では、第２冷却系４０の第２ポンプ４２も駆動していることから、インポート２２ｉｎを経て電池内冷媒流路１３に流れ込んだ冷媒の一部は、イオン交換経路１３２を経て電池内冷媒流路１３に流れ込む。この場合の冷媒の流れは、第１冷却系２０による冷媒の流れと同じであることから、イオン交換経路１３２を通過した冷媒は、大容量の第１ポンプ２８による冷媒と合流して、ラジエーター３０に向けて冷媒が流れる。このような冷媒循環がなされても、ラジエーター３０で冷却済みの冷媒は、その大部分がインポート２２ｉｎを経て燃料電池１２に流れ込むので、燃料電池１２の冷却に支障はない。こうした冷媒循環の際、第２冷却系４０のイオン交換経路１３２に流れ込んだ全ての冷媒は、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。

図１２に示す第１冷却系２０だけでの冷媒循環では、第１冷却系２０の第１ポンプ２８のみが駆動し、第２冷却系４０Ｂの第２ポンプ４２は停止している。このため、第１ポンプ２８に送り出された全ての冷媒は、第１循環経路２２のラジエーター３０にて冷却された後に燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環する。この場合、第２ポンプ４２が停止していることから、第２冷却系４０Ｂでの冷媒循環はなされない。

上記した実施例の燃料電池システム１０Ｂにあっても、図５に示した起動時冷媒循環制御を行うことで、既述した効果を奏することができる。また、この燃料電池システム１０Ｂでは、既述したように第１循環経路２２と第２循環経路４４Ｂ（詳しくは、イオン交換経路１３２）とを、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３に対してその両側から繋いでいることから、ラジエーター３０とイオン交換器４１のレイアウトを次のようにすることもできる。図１３は燃料電池システム１０Ｂを車両２００Ａに搭載した様子を車両上方から概略的に示す説明図である。

図示するように、この車両２００Ａは、車両前方に当たるフード２００Ｆの下方領域に、燃料電池１２とイオン交換器４１とラジエーター３０とを並べて搭載する。そして、この燃料電池システム１０Ｂでは、上記した経路接続により、ラジエーター３０からの第１循環経路２２を、車両後方側において燃料電池１２に接続し、第２冷却系４０Ｂのイオン交換経路１３２については、これを車両前方側で燃料電池１２に接続した。こうした機器配置と経路接続を取ることで、車両２００Ａでは、ラジエーター３０から燃料電池１２に到る第１循環経路２２の経路長を長くすることができる。燃料電池１２は、その発電運転に当たり高電位となり得るが、第１循環経路２２を長くすることで、当該経路の冷媒による絶縁抵抗を高めることができる。よって、ラジエーター３０を含む第１冷却系２０についての絶縁確保ができ、好ましい。

次に、第１循環経路２２と第２循環経路４４Ｂ（詳しくは、イオン交換経路１３２）とを電池内冷媒流路１３に対してその両側から繋いだ他の実施例（第４実施例）について説明する。図１４は図１０相当図であり第４実施例の第２冷却系４０Ｃとその冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

図示するように、この第４実施例の燃料電池システム１０Ｃでは、イオン交換経路１３２の流路内冷媒を燃料電池１２の電池内冷媒流路１３における上流側、即ちインポート２２ｉｎの側に向けて送り出すよう、第２ポンプ４２をイオン交換経路１３２に設置する。こうして配置した４２により送り出されてインポート２２ｉｎに達した冷媒は、当該ポートを通過してラジエーター３０の側に経路内を流れようとする。ところが、第１ポンプ２８が停止されていること、およびラジエーター３０の既述した大きな内部流路抵抗のため、インポート２２ｉｎに達した冷媒は、当該ポートからラジエーター３０の側には流れず、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を通過する。電池内冷媒流路１３を通過した冷媒は、図示するようにセルを通過してアウトポート２２ｏｕｔの側に達するが、当該ポートにあっても第１ポンプ２８の停止およびラジエーター３０の内部抵抗により、イオン交換経路１３２に流れ出す。このため、第２ポンプ４２は、イオン交換経路１３２とその両側で繋がった燃料電池１２の電池内冷媒流路１３とからなる第２循環経路４４Ｃにて冷媒を循環させる。こうした冷媒循環の際、第２循環経路４４Ｃにて循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。つまり、図２で説明した第２循環経路４４での冷媒循環と変わるものではない。

上記した燃料電池システム１０Ｃの第２冷却系４０Ｃにおける冷媒の循環の向きは、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３においては、第１冷却系２０における冷媒の循環の向きと逆になる。よって、この燃料電池システム１０Ｃでは、第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｃの併用循環については、これを行わないようにし、先に説明した起動時冷媒循環制御（図５参照）においては、第２冷却系４０Ｃでの優先的な冷媒循環（第２ポンプ４２の間欠運転：ステップＳ１２０）を行った後に、第２ポンプ４２を連続運転に切り換え（ステップＳ１４０）、所定時間の経過後に、第１ポンプ２８による第１冷却系２０での冷媒循環を行うようにすればよい。よって、第４実施例の燃料電池システム１０Ｃにあっても、図５に示した起動時冷媒循環制御を行うことで、既述した効果を奏することができる。なお、燃料電池１２の発電運転中においては、次のようにすることができる。つまり、発電運転中は、第１ポンプ２８による第１冷却系２０での冷媒循環を継続し、イオン除去の必要が生じた場合には、第１ポンプ２８を停止して第２ポンプ４２を駆動する。これにより、第２冷却系４０Ｃでの冷媒循環の際に、イオン交換器４１にてイオン除去を行うことができ、イオン除去後には、第２ポンプ４２を停止して第１ポンプ２８を駆動すればよい。

次に、燃料電池１２の一方の側においてイオン交換経路１３２を電池内冷媒流路１３に接続した場合の第２冷却系４０についての絶縁対策を説明する。図１５は第２冷却系４０と燃料電池１２の組み付けの様子を模式的に示す説明図である。

図示するように、第２冷却系４０は、イオン交換器４１と第２ポンプ４２とを含むイオン交換経路１３２を燃料電池１２の電池内冷媒流路１３に接続するに当たり、イオン交換経路１３２の上下流端に、第１フラップ１６１と第２フラップ１６２を介在させる。第１フラップ１６１は、電池内冷媒流路１３からイオン交換経路１３２に向けて流れ込む冷媒に押されて流路を開き、電池内冷媒流路１３からイオン交換経路１３２に冷媒を導入させる。第２フラップ１６２は、イオン交換経路１３２を通過した冷媒に押されて流路を開き、イオン交換経路１３２を通過した冷媒を電池内冷媒流路１３に導入させる。これら両フラップは、共に絶縁性であり、燃料電池１２のエンドプレート１２ｅに装着されている。そして、この第２冷却系４０は、イオン交換経路１３２とこれに組み込まれたイオン交換器４１と第２ポンプ４２ごと、絶縁性のカバー１５０にて覆われている。

図１５に示すように、第２冷却系４０は、燃料電池１２に近接した上で、イオン交換経路１３２をエンドプレート１２ｅに接触させていることから、このイオン交換経路１３２は、運転に伴って発電する燃料電池１２とほぼ同電位となる。しかしながら、上記のようにイオン交換経路１３２を絶縁性のカバー１５０で覆ったので、電池周囲に対する燃料電池１２の絶縁を図ることができる。この場合、燃料電池１２の全体を絶縁性のカバーで覆うようにし、当該電池カバーの一部で、イオン交換経路１３２を覆うようにすることもできる。

また、第１フラップ１６１と第２フラップ１６２の両フラップを絶縁性としたので、次の利点がある。燃料電池１２の電池内冷媒流路１３においても、当該冷媒流路の冷媒にイオンが溶出することが有り得る。冷媒非循環の際には、冷媒の流れがないので、上記の両フラップは、図示するように電池内冷媒流路１３の出口側と入口側を閉鎖する。よって、電池内冷媒流路１３の冷媒は当該流路内に閉じこめられ、イオン交換経路１３２の冷媒と混じり合わない。このため、イオン交換経路１３２における冷媒のイオン濃度は、電池内冷媒流路１３の側からのイオン（冷媒）の入り込みがない分、変化しなくなるので、イオン交換器４１の寿命を維持できる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、システム起動に伴う優先期間において第２ポンプ４２を間欠駆動としたが、第２ポンプ４２を連続運転させることもできる。この優先期間における第２ポンプ４２のポンプ出力（間欠出力）についても、通常出力の半分程度としたが、通常出力で第２ポンプ４２を運転（間欠運転）するようにすることもできる。

また、図５に示した起動時冷媒循環制御については、これをシステム起動の都度に行うことができるほか、システム起動以外のタイミングで実行するようにすることもできる。例えば、第１循環経路２２或いはイオン交換経路３２、もしくはその両者に導電率センサーを組み込み、当該センサーにより冷媒の導電率が、燃料電池の高電圧対処の要請から定まる所定の導電率に上昇すれば、この導電率上昇のタイミングで、図５の起動時冷媒循環制御と同等の処理、即ち、優先的に第２冷却系４０による冷媒循環を図る処理を行うようにできる。こうすれば、システム停止中やシステムの運転中において何らかの原因で溶媒の導電率が高まっても、当該溶媒の低導電率化を図ることができる。この場合、上記した冷媒の導電率上昇検知に伴う優先的な第２冷却系４０による冷媒循環と共に、イオン交換器４１の交換の旨をランプやブザー等にて報知するようにすることもできる。

また、システム停止中において、その停止期間が長い場合や、停止時の大気温が低温となった場合には、第２冷却系４０についてのみの冷媒循環を優先的に実行するようにすることもできる。システム停止中に外気温が高低繰り返し変動すると、燃料電池１２の各セルでは、セル内の水（生成水）の蒸発・結露が繰り返され、端部側のセルに水が集まりやすい。ところが、上記したようにシステム停止中において第２冷却系４０についてのみの冷媒循環を優先的に実行すれば、端部側セルへの水分集中を抑制でき、その後のシステム起動を円滑にできる。

また、次のような変形も可能である。図１６はイオン交換経路１３２において冷媒の熱交換を図るようにした変形例を示す説明図である。図示するように、この第２冷却系４０Ｄは、イオン交換経路１３２に小容量の熱交換機器１７０を備える。この熱交換機器１７０は、例えば車両暖房用の暖気パイプをイオン交換経路１３２に熱交換可能に配置したり、小容量のヒーターを内蔵したものであり、イオン交換経路１３２を通過する冷媒、即ち、既述した燃料電池１２の起動時における起動時冷媒循環制御に際して、第２冷却系４０Ｄの循環冷媒を予め暖める。これにより、起動時冷媒循環制御の際の燃料電池１２の各セルの温度均一化をより早期のうちに達成できる。図１６の変形例では、熱交換機器１７０をイオン交換器４１の上流側に配設したので、イオン交換器４１では、昇温した冷媒をイオン除去に処すので、除去効率が高まり、冷媒の低伝導率化の上から有益である。なお、熱交換機器１７０をイオン交換器４１の下流側に設置したり、熱交換機器１７０の上下流にイオン交換器４１を設置することもできる。

この他、図５に示した起動時冷媒循環制御をシステム起動とタイム差を持って行うようにすることもできる。図１７は起動時冷媒循環制御をシステム起動とタイム差を持って行う場合の概略的な電気構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２にリレー１８１を介してＤＣ／ＤＣコンバーター１８２に接続し、ＤＣ／ＤＣコンバーター１８２をシステムメインリレー１８３を介して２次電池１８４に接続して備える。第１ポンプ２８と負荷１８５と１２Ｖ用のＤＣ／ＤＣコンバーター１８６は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１８２とシステムメインリレー１８３とを結ぶ電源ラインに接続されている。第２ポンプ４２は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１８６と１２Ｖ用の小容量の電池１８７と接続され、このいずれかから１２Ｖの電圧の印加を受けて駆動する。

こうした電気的な構成を取った上で、燃料電池システム１０は、システム起動に当たり、リレー１８１により燃料電池１２を電気的に遮断した状態で、優先的に第２ポンプ４２を駆動して、既述したように第２冷却系４０（図２）による冷媒循環を実行する。そして、図６において説明したＦＣ温度Ｔｆｃが第１比較温度Ｔαに達すると、或いは第２ポンプ４２の駆動後に短期の所定時間が経過すると、燃料電池システム１０は、リレー１８１により燃料電池１２を接続する。こうすれば、優先的な第２冷却系４０による冷媒循環に伴う冷媒からのイオン除去が進んだ状態で、燃料電池１２を起動でき、高電圧対処の実効性が高まる。つまり、第２ポンプ４２の冷媒循環をシステム起動に先だって行うようにすることもできる。

こうした制御は、システムの起動の都度に行うことができるほか、ラジエーター３０の保守点検に伴う交換時や、２週間から数ヶ月に亘るシステム運転が継続されたような状況下で行うようにすることもできる。こうした状況では、冷媒へのイオン溶出が進んでいると予想される。よって、システム起動より先に行う優先的な第２冷却系４０（図２）の冷媒循環により、冷媒の低導電率化を回避した上で、システム起動を図ることができる。

また、上記実施例では、第１冷却系２０と第２冷却系４０で個別のポンプを有するようにしたが、各冷却系で共通のポンプを用いるようにすることもできる。図１８は図２相当図であり共通のポンプで冷媒循環を行う変形例における第２冷却系４０Ｅでの冷媒循環の様子を模式的に示す説明図、図１９は図３相当図であり第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｅとを併用して冷媒循環を行う様子を模式的に示す説明図である。

図１８に示すように、この変形例の燃料電池システム１０Ｅでは、第１循環経路２２の上流側の第１三方弁１９１と下流側の第２三方弁１９２との間に、イオン交換経路３２を組み込み、第１三方弁１９１より下流側の分岐点下流経路２２ａにポンプ１９３を有する。ポンプ１９３は、吐出容量を可変に構成された冷媒循環用のポンプであり、当該ポンプより上流側の冷媒を燃料電池１２を経てその下流に送り出す。第１三方弁１９１と第２三方弁１９２は、第２冷却系４０Ｅによる既述した優先期間においては、ラジエーター３０の側の流路を閉鎖し、イオン交換経路３２の冷媒通過を許可する（以下、第１流路調整）。第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｅとを併用する場合には、ラジエーター３０を含む第１冷却系２０における冷媒通過流量が多くなるよう流路調整する（以下、第２流路調整）。

つまり、第２冷却系４０Ｅは、分岐点下流経路２２ａ、燃料電池１２、分岐点上流経路２２ｂおよびイオン交換経路３２の順の経路となる第２循環経路４４Ｅを形成する。この変形例では、優先期間において、ポンプ１９３は小容量吐出で駆動し、上記の両三方弁の第１流路調整により、ポンプ上流側のイオン交換経路３２の流路内冷媒を上記の第２循環経路４４Ｅにて循環させる。こうした冷媒循環の際、第２循環経路４４Ｅにて循環する全ての冷媒は、燃料電池１２の電池内冷媒流路１３を循環経由した上で、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。つまり、図２で説明した第２循環経路４４での冷媒循環と変わるものではない。

図１９に示す第１冷却系２０と第２冷却系４０Ｅの併用循環では、ポンプ１９３は大容量吐出で駆動し、上記の両三方弁の第２流路調整により、第１冷却系２０では、第１循環経路２２において、冷媒を支障なく循環させ、ラジエーター３０により冷却された冷媒を燃料電池１２に循環供給できる。これにより、燃料電池１２の運転に伴う電池の温度上昇を抑制して、電池温度の維持を図ることができる。図１９の併用循環では、上記の両三方弁の第２流路調整により、イオン交換経路３２の冷媒通過も可能である。よって、ポンプ１９３のポンプ駆動により、ポンプ上流側のイオン交換経路３２の流路内冷媒は、第１三方弁１９１より下流で第１冷却系２０の冷媒に合流して第２循環経路４４Ｅにて循環する。このような冷媒循環がなされても、ラジエーター３０で冷却済みの冷媒は、燃料電池１２に流れ込むので、燃料電池１２の冷却に支障はない。こうした冷媒循環の際、第２三方弁１９２から分流してイオン交換経路３２に流れ込んだ全ての冷媒は、イオン交換器４１を繰り返し通過して、イオン除去に処される。なお、第１冷却系２０だけでの冷媒循環は、第１三方弁１９１と第２三方弁１９２はイオン交換経路３２の側の流路を閉鎖し、ラジエーター３０の冷媒通過を許可するので、この場合の冷媒循環は、図４で説明した場合と同じである。

上記した変形例の燃料電池システム１０Ｅにあっても、図５に示した起動時冷媒循環制御を行うことで、既述した効果を奏することができる。

１０、１０Ａ〜１０Ｅ…燃料電池システム
１２…燃料電池
１２ｅ…エンドプレート
１３…電池内冷媒流路
２０…第１冷却系
２２ｏｕｔ…アウトポート
２２…第１循環経路
２２ａ…分岐点下流経路
２２ｂ…分岐点上流経路
２２ｉｎ…インポート
２３ｉｎ…分岐点
２３ｏｕｔ…分岐点
２８…第１ポンプ
３０…ラジエーター
３１…温度センサー
３２…イオン交換経路
４０、４０Ａ〜４０Ｅ…第２冷却系
４１…イオン交換器
４２…第２ポンプ
４４、４４Ａ〜４４Ｅ…第２循環経路
５０…制御装置
１３２…イオン交換経路
１５０…カバー
１６１…第１フラップ
１６２…第２フラップ
１７０…熱交換機器
１８１…リレー
１８２…ＤＣ／ＤＣコンバーター
１８３…システムメインリレー
１８４…２次電池
１８５…負荷
１８６…ＤＣ／ＤＣコンバーター
１８７…電池
１９１…第１三方弁
１９２…第２三方弁
１９３…ポンプ
２００、２００Ａ…車両
２００Ｆ…フード

Claims (5)

1. 燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む冷媒の第１循環経路に冷媒を循環供給する第１冷媒系と、
   前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む冷媒の第２循環経路に冷媒を循環供給する第２冷媒系と、
   前記第１、第２の冷媒系による冷媒循環を制御するに当たり、前記燃料電池の起動に際しては、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行する循環制御手段とを備え、
   前記第１冷媒系は、前記第１循環経路に組み込まれて冷媒の循環を図る第１ポンプを備え、前記第２冷媒系は、前記第２循環経路に組み込まれて冷媒の循環を図る第２ポンプを備え、
   前記循環制御手段は、前記優先期間に亘って前記第２ポンプを先行して駆動制御し、前記優先期間の経過後には前記第１ポンプと前記第２ポンプを駆動制御すると共に、前記優先期間に亘っては前記第２ポンプを所定時間ごとに間欠駆動し、該間欠駆動を先行実施した後、前記第２ポンプを連続駆動させる、燃料電池システム。
2. 前記循環制御手段は、前記燃料電池の起動時以外の所定のタイミングで、前記優先期間に亘る前記第２ポンプの間欠駆動を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環制御手段は、前記優先期間に亘る前記第２ポンプの間欠駆動の間のポンプ出力を、前記優先期間の経過後に前記第２ポンプを連続駆動する際のポンプ出力の半分程度とする、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第２冷媒系は、前記第２循環経路を循環する冷媒の熱容量が、前記第１冷媒系の前記第１循環経路を循環する冷媒の熱容量より小さくされている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２冷媒系は、前記第２循環経路とこれに組み込まれた前記第２ポンプと前記イオン交換器ごと、絶縁性のカバーにて覆われている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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