燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法与流程

本发明涉及一种使从燃料电池排出的负极气体循环到燃料电池的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。

背景技术：

在JP2010-146751A中公开了如下一种燃料电池系统：具备热交换器，该热交换器利用被燃料电池升温的冷却水来加热向燃料电池供给的负极气体。

技术实现要素：

在如上所述的燃料电池系统中，在零下的温度环境下启动时，优选使循环到燃料电池的冷却水的流量降低以使燃料电池的暖机尽快完成。

然而，当使冷却水的流量降低时，在热交换器中从被燃料电池升温的冷却水向负极气体的散热量减少，因此负极气体的升温速度变慢。

在零下启动时，有时从罐供给的负极气体的温度变得低于冰点，从而存在以下情况：在从罐供给的负极气体与从燃料电池排出的负极排气合流时，负极排气中的水蒸气结冰而在流路内形成冰。

在这种状况下，当如上所述那样使冷却水的流量降低时，负极气体的升温速度变慢，因此担心在流路内形成的冰增加而流路堵塞。

本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种在实现燃料电池的尽快暖机的同时，防止使从燃料电池排出的气体循环到燃料电池的部件冻结的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。

根据本发明的某个方式，向燃料电池供给负极气体和正极气体、并且根据负载使燃料电池发电的燃料电池系统包括：气体供给通路，其向所述燃料电池供给负极气体和正极气体中的一个气体；以及冷却介质供给单元，其向所述燃料电池供给用于冷却所述燃料电池的冷却介质。另外，燃料电池系统包括：热交换器，其在被所述燃料电池升温的所述冷却介质与供给到所述气体供给通路的气体之间交换热；以及部件，其设置于所述气体供给通路，使从所述燃料电池排出的所述一个气体循环到所述燃料电池。并且，燃料电池系统包括暖机控制部，该暖机控制部在所述燃料电池的暖机时，将所述冷却介质的流量控制为用于对所述燃料电池进行暖机的规定的流量。而且，燃料电池系统包括气体升温控制部，该气体升温控制部在所述暖机控制部对所述冷却介质的流量进行控制时，基于通过所述部件进行循环的气体的温度或者与该温度有关的参数，使供给到所述热交换器的所述冷却介质的流量上升。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统的结构的图。

图2是表示对燃料电池系统进行控制的控制器的基本结构的框图。

图3是表示本实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。

图4是表示在控制器中对从喷射泵喷出的负极气体的温度进行运算的功能结构的框图。

图5是表示本发明的第二实施方式中的冷却水流量控制部的结构的框图。

图6是表示为了防止气体流路的冻结而决定的冻结防止控制图表的图。

图7是表示对根据冻结防止控制图表求出的冷却水流量进行校正的校正图表的图。

图8是表示防止在燃料电池系统的启动处理中燃料电池堆的温度变得过高的过升温防止图表的图。

图9是表示本实施方式中的冷却水流量的控制方法的时序图。

图10是表示供给到喷射泵的供给气体与循环气体的温度差变小时的冷却水流量的控制方法的时序图。

图11是表示本发明的第三实施方式中的燃料电池系统的结构的图。

图12是表示本实施方式中的冷却水流量控制部的结构的图。

图13是表示冷却水泵的转速指令图表的图。

图14是表示旁路冷却水泵的转速指令图表的图。

图15是表示本发明的第四实施方式中的燃料电池系统的结构的图。

图16是表示本实施方式中的冷却水流量控制部的结构的图。

图17是表示旁路阀的开度指令图表的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

图1是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的结构例的图。

燃料电池系统100构成从外部对燃料电池供给发电所需的燃料气体、根据电负载使燃料电池发电的电源系统。燃料电池系统100由控制器110来控制。

燃料电池系统100包括燃料电池堆1、蓄电池2、DC/DC转换器3、电负载4、正极气体供排装置10、负极气体供排装置20、堆冷却装置30以及堆电阻测定装置45。正极气体供排装置10、负极气体供排装置20以及堆冷却装置30分别是用于使燃料电池堆1发电的辅机。

蓄电池2是辅助燃料电池堆1的电源。蓄电池2例如输出数百V的电压。

DC/DC转换器3是将燃料电池堆1的电压和蓄电池2的电压相互调整的双向性的电压变换器。DC/DC转换器3连接于燃料电池堆1与蓄电池2之间。

DC/DC转换器3由控制器110来控制，使用从蓄电池2输出的电力来调整燃料电池堆1的电压。例如，从电负载4要求的要求电力越大，则DC/DC转换器3使燃料电池堆1的电压越低以使从燃料电池堆1取出的输出电流越大。

利用从燃料电池堆1和蓄电池2供给的电力来驱动电负载4。作为电负载4，例如能够列举出对车辆进行驱动的电动马达、燃料电池堆1的辅机的一部分等。

在本实施方式中，电负载4连接于将燃料电池堆1与DC/DC转换器3之间连接的电源线。此外，也可以是以下结构：在燃料电池堆1与DC/DC转换器3之间的电源线上连接电动马达，在蓄电池2与DC/DC转换器3之间的电源线上连接辅机的一部分。

燃料电池堆1是层叠数百块电池单元而成的，例如产生数百V(伏特)的直流电压。

燃料电池由负极电极(燃料极)、正极电极(氧化剂极)以及夹在负极电极与正极电极之间的电解质膜构成。在燃料电池中，负极电极中含氢的负极气体(燃料气体)与正极电极中含氧的正极气体(氧化剂气体)在电解质膜中发生电化学反应(发电反应)。具体地说，在负极电极和正极电极处，进行以下的电化学反应。

负极电极：2H2→4H⁺+4e^- …(1)

正极电极：4H⁺+4e^-+O2→2H2O …(2)

通过上述(1)和(2)所示的电化学反应，在产生电动势的同时生成水。层叠成燃料电池堆1的各燃料电池串联连接，因此各燃料电池所产生的单元电压的总和即为燃料电池堆1的输出电压。

从正极气体供排装置10向燃料电池堆1供给正极气体，并且从负极气体供排装置20向燃料电池堆1供给负极气体。

正极气体供排装置10是向燃料电池堆1供给正极气体、并且将从燃料电池堆1排出的正极排气排出到大气的装置。正极排气含有未被燃料电池堆1消耗的剩余的正极气体、发电所伴有的生成水等杂质。

正极气体供排装置10包括正极气体供给通路11、压缩机12、正极气体排出通路13、正极压力调节阀14、旁路通路15以及旁路阀16。

正极气体供给通路11是用于向燃料电池堆1供给正极气体的通路。正极气体供给通路11的一端与用于从外部大气取入含氧的空气的通路连通，另一端与燃料电池堆1的正极气体入口孔连接。

压缩机12设置于正极气体供给通路11。压缩机12从外部大气向正极气体供给通路11取入空气，将该空气作为正极气体供给到燃料电池堆1。压缩机12由控制器110来控制。

正极气体排出通路13是用于从燃料电池堆1排出正极排气的通路。正极气体排出通路13的一端与燃料电池堆1的正极气体出口孔连接，另一端成为开口。

正极压力调节阀14设置于正极气体排出通路13。作为正极压力调节阀14，在本实施方式中，使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。正极压力调节阀14由控制器110来控制开闭。通过该开闭控制来将向燃料电池堆1供给的正极气体的压力调节为期望的压力。

旁路通路15是用于将从压缩机12喷出的正极气体的一部分直接排出到正极气体排出通路13而不供给到燃料电池堆1的通路。

旁路通路15的一端连接于压缩机12与燃料电池堆1之间的正极气体供给通路11，另一端连接于比正极压力调节阀14更靠上游的正极气体排出通路13。即，旁路通路15从比压缩机12更靠下游的正极气体供给通路11分支出来，与比正极压力调节阀14更靠上游的正极气体排出通路13合流。

旁路阀16设置于旁路通路15。作为旁路阀16，在本实施方式中，使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。旁路阀16由控制器110来控制。

例如，在稀释从燃料电池堆1排出的氢所需的正极气体的流量(以下称为“氢稀释要求流量”。)变得大于燃料电池堆1所需的正极气体的流量的情况下，旁路阀16被打开。

或者，在避免压缩机12中产生的浪涌所需的正极气体的流量(以下称为“浪涌避免要求流量”。)变得大于燃料电池堆1所需的正极气体的流量的情况下，旁路阀16被打开。

此外，在燃料电池堆1所需的正极气体的流量大于氢稀释要求流量、浪涌避免要求流量等的情况下，旁路阀16被闭合。

负极气体供排装置20是向燃料电池堆1供给负极气体、并且使从燃料电池堆1排出的负极排气循环到燃料电池堆1并去除负极排气中的杂质的装置。杂质是指从正极经由电解质膜向负极透过来的空气中的氮、发电所伴有的生成水等。

负极气体供排装置20包括高压罐21、负极气体供给通路22、热交换器23、负极压力调节阀24、喷射泵25、负极气体循环通路26、气液分离装置27、放气通路28以及放气阀29。

高压罐21将要向燃料电池堆1供给的负极气体保持为高压状态来贮存。

负极气体供给通路22是用于向燃料电池堆1供给高压罐21中贮存的负极气体的通路。负极气体供给通路22的一端与高压罐21连接，另一端与燃料电池堆1的负极气体入口孔连接。

热交换器23设置于比负极压力调节阀24更靠上游的负极气体供给通路22。热交换器23在被燃料电池堆1升温的冷却水与从高压罐21供给的负极气体之间交换热。冷却水是用于冷却燃料电池堆1的冷却介质。

在燃料电池系统100低温启动时，热交换器23具有通过被燃料电池堆1加热的冷却水对供给到负极气体供给通路22的负极气体进行加热的功能。

负极压力调节阀24设置于热交换器23与喷射泵25之间的负极气体供给通路22。作为负极压力调节阀24，在本实施方式中，使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。负极压力调节阀24由控制器110来控制开闭。通过该开闭控制来调节向燃料电池堆1供给的负极气体的压力。

在负极压力调节阀24与喷射泵25之间的负极气体供给通路22上，设置有对从高压罐21供给的负极气体的温度(以下称为“供给气体温度”。)进行检测的温度传感器41。温度传感器41将表示检测出的温度的检测信号提供到控制器110。

此外，在本实施方式中，温度传感器41设置于负极压力调节阀24与喷射泵25之间的负极气体供给通路22，但是也可以设置于热交换器23与负极压力调节阀24之间的负极气体供给通路22。

喷射泵25设置于负极压力调节阀24与燃料电池堆1之间的负极气体供给通路22。喷射泵25是使负极气体循环通路26与负极气体供给通路22合流的泵或引射器。通过使用喷射泵25，能够以简易的结构使负极排气循环到燃料电池堆1。

喷射泵25通过加快由负极压力调节阀24供给的负极气体的流速来吸引从燃料电池堆1排出的负极排气从而使该负极排气循环到燃料电池堆1。

喷射泵25例如由喷嘴(Nozzle)和扩散器(Diffuser)构成。喷嘴用于加快负极气体的流速来向扩散器喷射负极气体。喷嘴形成为圆筒状，开口随着接近喷嘴的顶端部而变窄。因此，负极气体的流速在顶端部变快而向扩散器喷射负极气体。

扩散器用于利用从喷嘴喷射的负极气体的流速来吸引负极排气。扩散器使从喷嘴喷射的负极气体与吸引到的负极排气合流，将合流后的气体向燃料电池堆1喷出。

在扩散器中在与喷嘴相同的轴上形成有合流通路。合流通路的开口形成为随着接近喷出口而变大。扩散器中形成有从吸引口延伸至喷嘴的顶端部分的圆筒状的吸引腔，吸引腔与合流通路连通。

在喷射泵25与燃料电池堆1之间的负极气体供给通路22上设置有压力传感器42。压力传感器42对向燃料电池堆1供给的负极气体的压力(以下称为“堆入口气体压力”。)进行检测。压力传感器42将表示检测出的压力的检测信号输出到控制器110。

负极气体循环通路26是用于使从燃料电池堆1排出的负极排气循环到负极气体供给通路22的通路。负极气体循环通路26的一端与燃料电池堆1的负极气体出口孔连接，另一端与喷射泵25的循环口合流。

气液分离装置27设置于负极气体循环通路26。气液分离装置27将负极排气中的生成水、氮气等杂质从剩余的负极气体中分离出来。气液分离装置27使负极排气所包含的水蒸气凝结来使其成为液态水。

经气液分离装置27去除了杂质的负极气体通过负极气体循环通路26后经由喷射泵25再次被供给到负极气体供给通路22。另外，在气液分离装置27的下部形成有将杂质排出到放气通路28的排出孔。

放气通路28是用于排出由气液分离装置27分离出的杂质的通路。放气通路28的一端与气液分离装置27的排出孔连接，另一端与比正极压力调节阀14更靠下游的正极气体排出通路13连接。

放气阀29设置于放气通路28。放气阀29由控制器110来控制开闭。通过该开闭控制来向正极气体排出通路13排出氮气、液态水的杂质等。

堆冷却装置30是使用作为冷却介质的冷却水来将燃料电池堆1调整为适于发电的温度的装置。堆冷却装置30包括冷却水循环通路31、冷却水泵32、散热器33、旁路通路34、加热器35、恒温器36、分支通路37、堆入口水温传感器43以及堆出口水温传感器44。

冷却水循环通路31是用于使冷却水循环到燃料电池堆1的通路。冷却水循环通路31的一端与燃料电池堆1的冷却水入口孔连接，另一端与燃料电池堆1的冷却水出口孔连接。

冷却水泵32设置于冷却水循环通路31。冷却水泵32构成将冷却水供给到燃料电池堆1的冷却介质供给单元。冷却水泵32由控制器110来控制。此外，作为将冷却水供给到燃料电池堆1的冷却介质供给单元，不限于冷却水泵，也可以使用压缩机。

散热器33设置于冷却水泵32的冷却水吸入口侧的冷却水循环通路31。散热器33对被燃料电池堆1加热的冷却水进行冷却。

旁路通路34是绕过散热器33的通路。旁路通路34的一端与燃料电池堆1的冷却水出口侧的冷却水循环通路31连接，另一端与恒温器36连接。

加热器35设置于旁路通路34。加热器35在对燃料电池堆1进行暖机时被通电来对冷却水进行加热。在本实施方式中，通过DC/DC转换器3从燃料电池堆1对加热器35供给电力来使加热器35发热。

恒温器36设置于旁路通路34与冷却水循环通路31合流的部分处。恒温器36是三通阀。恒温器36根据在恒温器36的内部流动的冷却水的温度来自动地开闭。

例如，恒温器36在冷却水的温度低于规定的开阀温度时为关闭的状态，仅将经由旁路通路34过来的冷却水供给到燃料电池堆1。由此，燃料电池堆1中流通比经由散热器33过来的冷却水高温的冷却水。

另一方面，当冷却水的温度变为开阀温度以上时，恒温器36开始逐渐打开。然后，恒温器36将经由旁路通路34过来的冷却水与经由散热器33过来的冷却水混合后供给到燃料电池堆1。由此，燃料电池堆1中流通比经由旁路通路34过来的冷却水低温的冷却水。

分支通路37从冷却水泵32与燃料电池堆1的冷却水入口孔之间的冷却水循环通路31分支，通过热交换器23后与比旁路通路34更靠上游的冷却水循环通路31合流。

堆入口水温传感器43设置于位于燃料电池堆1的冷却水入口孔的附近的冷却水循环通路31。堆入口水温传感器43对向燃料电池堆1流入的冷却水的温度(以下称为“堆入口水温”。)进行检测。堆入口水温传感器43将表示检测出的温度的检测信号输出到控制器110。

堆出口水温传感器44设置于位于燃料电池堆1的冷却水出口孔的附近的冷却水循环通路31。堆出口水温传感器44对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度(以下称为“堆出口水温”。)进行检测。堆出口水温传感器44将表示检测出的温度的检测信号输出到控制器110。

堆电阻测定装置45测定燃料电池堆1的内部电阻(HFR：High Frequency Resistance(高频电阻))，以估计构成层叠成燃料电池堆1的燃料电池的电解质膜的湿润度。电解质膜的湿润度越小、即电解质膜中的水分越少而感觉越干，则内部电阻越大。另一方面，电解质膜的湿润度越大、即电解质膜中的水分越多而感觉越湿，则内部电阻越小。

例如，堆电阻测定装置45向燃料电池堆1的正极端子提供交流电流，检测交流电流所引起的正极端子与负极端子之间的交流电压。然后，堆电阻测定装置45通过将交流电压的振幅除以交流电流的振幅来计算内部电阻，将该内部电阻的值、即HFR输出到控制器110。

控制器110由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。

从温度传感器41、压力传感器42、堆入口水温传感器43、堆出口水温传感器44以及堆电阻测定装置45输出的检测值被输入到控制器110。

控制器110基于所输入的值、从电负载4要求的要求电力以及针对辅机的指令值来控制压缩机12、正极压力调节阀14、旁路阀16、负极压力调节阀24以及放气阀29。由此，向燃料电池堆1供给正极气体和负极气体，良好地维持燃料电池堆1的发电状态。

控制器110在燃料电池系统100被启动时，执行将燃料电池堆1暖机到适于发电的温度的控制(以下称为“暖机运转”)。

在暖机运转中，控制器110将燃料电池堆1与辅机电连接，使燃料电池堆1发出驱动辅机所需的电力。燃料电池堆1由于发电而发热，因此燃料电池堆1本身被加热。由燃料电池堆1发出的电力被供给到压缩机12、冷却水泵32、加热器35等辅机。

在这种燃料电池系统中，当在零下的温度环境下被启动而开始暖机运转时，流过燃料电池堆1的冷却水的温度与正在发热的燃料电池堆1的温度之间的温度差变大。当在该状态下使冷却水泵32的转速高来使供给到燃料电池堆1的冷却水的流量大时，从燃料电池堆1向冷却水散出的热量变多，燃料电池堆1的温度难以上升。因此，在开始暖机运转时，优选的是将冷却水泵32的转速抑制得低。

另一方面，当将冷却水泵32的转速抑制得低时，冷却水的升温速度变慢，因此通过热交换器23从冷却水向负极气体散发的热量变少，从热交换器23供给的负极气体的升温速度变慢。

还设想以下的情况：在零下启动时，从高压罐21向喷射泵25供给的负极气体的温度变为负30℃。当在这种状况下通过喷射泵25使负极排气循环到燃料电池堆1时，在负极气体与负极排气合流的部分处，负极排气中的水蒸气成为液态水，该液态水结冰而生成冰。

因此，当向喷射泵25供给的负极气体的升温变慢时，存在以下担忧：在喷射泵25内形成的冰增加而喷射泵25内的流路堵塞，不再能够向燃料电池堆1供给负极气体。

因此，在本实施方式中，在零下启动燃料电池系统100时，控制器110预测喷射泵25的冻结，来控制向热交换器23供给的冷却水的流量。

图2是表示本发明的实施方式中的控制器110的基本结构的框图。

控制器110具备对循环到燃料电池堆1的冷却水的流量(以下称为“冷却水流量”。)进行控制的冷却水流量控制部200。

冷却水流量控制部200包括通常控制部210、堆暖机控制部220、气体流路冻结防止控制部230、切换部300以及冷却水流量指令部400。

在暖机运转完成之后进行的通常运转中，通常控制部210基于燃料电池堆1的冷却水温度来控制冷却水流量，使得燃料电池堆1被维持为适于发电的温度、例如60℃。发电引起的燃料电池堆1的温度越高，则通常控制部210使冷却水流量越大。

此外，通常控制部210也可以基于燃料电池堆1的HFR来控制冷却水流量以将电解质膜维持为预先决定的湿润状态。例如，HFR越大，则通常控制部210使冷却水流量越大。由此，燃料电池堆1的温度变低，由正极气体从燃料电池堆1带出的水蒸气的流量变少，因此容易变为电解质膜湿润的状态。在该情况下，通常控制部210根据基于冷却水温度的目标流量与基于HFR的目标流量中的较大一方的目标流量来控制冷却水流量。

堆暖机控制部220构成在燃料电池堆1的暖机时将供给到燃料电池堆1的冷却水的流量控制为预先决定的流量的暖机控制部。

例如，在燃料电池堆1的温度(以下称为“堆温度”。)低于暖机完成温度、例如60℃时，堆暖机控制部220使冷却水流量比由通常控制部210设定的流量低。由此，正在发热的燃料电池堆1的热难以被冷却水夺走，因此能够促进燃料电池堆1的暖机。

作为堆温度，在本实施方式中，使用与燃料电池堆1的温度有相关性的冷却水的温度、例如堆入口水温与堆出口水温的平均值。此外，也可以直接对燃料电池堆1设置温度传感器，使用从该温度传感器输出的检测信号。

气体流路冻结防止控制部230对冷却水流量进行控制以防止喷射泵25的冻结。在通过堆暖机控制部220对冷却水流量进行控制时，气体流路冻结防止控制部230使供给到热交换器23的冷却水流量上升。由此，在热交换器23中通过的负极气体的升温速度变快，因此能够尽快使合流后的负极气体温度达到冰点。

即，气体流路冻结防止控制部230构成使从喷射泵25喷出的负极气体的温度上升的气体升温控制部。

切换部300基于堆温度来判定是否需要燃料电池堆1的暖机。而且，切换部300在判定为需要暖机的情况下，将控制冷却水流量的控制部从通常控制部210切换为堆暖机控制部220。

另外，切换部300基于从燃料电池堆1向喷射泵25循环的合流前的负极排气的温度(以下称为“循环气体温度”。)来预测喷射泵25是否冻结。

作为循环气体温度，例如使用与循环气体温度有相关性的堆入口水温。此外，也可以在负极气体循环通路26上设置对负极排气的温度进行检测的温度传感器，使用从该温度传感器输出的检测信号。

切换部300在预测为喷射泵25冻结的情况下，将控制冷却水流量的控制部从堆暖机控制部220切换为气体流路冻结防止控制部230。

并且，切换部300基于从喷射泵25向燃料电池堆1喷出的负极气体的温度(以下称为“喷出气体温度”。)来判定是否处于在喷射泵25内生成冰的状态。此外，喷出气体温度是指循环气体与供给气体合流之后的合流后气体的温度。

基于目标电流、循环气体温度、供给气体温度等来计算喷出气体温度。关于喷出气体温度的计算方法的详情，参照图4在后面叙述。此外，也可以在喷射泵25与燃料电池堆1之间的负极气体供给通路22上设置温度传感器，使用从该温度传感器输出的检测信号。

切换部300在判定为处于在喷射泵25内生成冰的状态的情况下，将控制冷却水流量的控制部切换为气体流路冻结防止控制部230。另一方面，切换部300在判定为处于在喷射泵25内未生成冰的状态的情况下，将控制冷却水流量的控制部切换为堆暖机控制部220。

冷却水流量指令部400基于由通常控制部210、堆暖机控制部220或者气体流路冻结防止控制部230设定的冷却水流量，来求出冷却水泵32的转速，将指定该转速的指令信号输出到冷却水泵32。

图3是表示本实施方式中的冷却水流量控制部200的控制方法的一例的流程图。

在步骤S101中，冷却水流量控制部200检测堆温度。具体地说，冷却水流量控制部200计算出将堆入口水温传感器43的检测值与堆出口水温传感器44的检测值进行平均而得到的值来作为堆温度。

在步骤S102中，切换部300判断堆温度是否低于暖机判定阈值。暖机判定阈值被设定为适于燃料电池堆1的发电的温度、例如60℃。

在步骤S103中，切换部300在堆温度低于暖机判定阈值的情况下，将堆暖机标志设定为ON。

在步骤S104中，切换部300在堆暖机标志被设定为ON的情况下，将供给到燃料电池堆1的冷却水流量控制为预先决定的暖机要求流量。当在堆温度低于0℃时启动燃料电池系统100时，发热的燃料电池堆1与冷却水之间的温度差变大，因此暖机要求流量被设定为比通常运转时的冷却水流量小的值。

在步骤S105中，切换部300判断循环气体温度是否为水分上升阈值Th_s以上。水分上升阈值Th_s是基于负极排气中的水蒸气量会上升的温度而设定的，例如被设定为20℃。

在循环气体温度变得高于水分上升阈值Th_s的情况下，切换部300预测为在喷射泵25内形成的冰增加而将流路堵塞(冻结)。

在步骤S106中，切换部300在循环气体温度为水分上升阈值Th_s以上的情况下，判断喷出气体温度是否为冻结解除阈值Th_e以下。冻结解除阈值Th_e是在喷射泵25内生成冰的值，例如被设定为0℃。

在步骤S107中，切换部300在循环气体温度为水分上升阈值Th_s以上、且喷出气体温度为冻结解除阈值Th_e以下的情况下，由于存在喷射泵25冻结的可能性而将气体流路冻结防止标志设定为ON。

在步骤S108中，切换部300在气体流路冻结防止标志被设定为ON的情况下，将从冷却水泵32供给到热交换器23的冷却水流量切换为气体升温要求流量。

气体升温要求流量是为了去除在喷射泵25内生成的冰而决定的流量，被设定为比暖机要求流量大的值。冷却水流量被设定为气体升温要求流量，由此供给到热交换器23的冷却水流量增加，在热交换器23中对向喷射泵25供给的负极气体进行加热，因此能够加快喷出气体温度的升温。

接着，切换部300返回到步骤S106，使冷却水的流量高于暖机要求流量，直到喷出气体温度达到冻结解除阈值Th_e为止。然后，在喷出气体温度超过冻结解除阈值Th_e时，返回到步骤S102，在堆温度未超过暖机判定阈值的情况下，切换部300使冷却水的流量恢复为暖机要求流量。

在步骤S109中，切换部300在通过步骤102判断为堆温度为暖机判定阈值以上的情况下，将堆暖机标志设定为OFF。

在步骤S110中，切换部300将堆暖机标志设定为OFF，并且将气体流路冻结防止标志设定为OFF。

在步骤S111中，切换部300在对燃料电池堆1进行暖机之后，切换为基于电负载4来控制冷却水流量的通常控制。

图4是表示在控制器110中运算喷出气体温度的喷出气体温度运算部120的结构例的图。

喷出气体温度运算部120包括供给气体流量运算部121、循环气体流量运算部122、循环气体体积比运算部123、合流前供给气体焓运算部124、循环气体焓运算部125以及合流后气体温度运算部126。

供给气体流量运算部121基于燃料电池堆1的目标电流来运算向燃料电池堆1供给的负极气体的流量(以下称为“供给气体流量”。)。例如，供给气体流量运算部121当接收到目标电流时，根据预先决定的图表来计算供给气体流量。

基于从电动马达、辅机等电负载4要求的电力来计算燃料电池堆1的目标电流。例如，加速踏板的踏下量越大，则从电动马达要求的电力越大，因此目标电流越大。

循环气体流量运算部122基于燃料电池堆1的目标电流和放气流量，参照预先决定的图表来运算循环气体流量。基于放气阀29的开度等来计算放气流量。

循环气体体积比运算部123运算循环气体中的氢气、氮气以及水蒸气的体积比。

具体地说，循环气体体积比运算部123从堆入口气体压力减去燃料电池堆1的压力损耗来计算堆出口气体压力，从根据循环气体温度而求出的饱和水蒸气压力减去堆出口气体压力，由此运算水蒸气体积比。作为循环气体温度，在本实施方式中，使用与循环气体温度有相关性的堆温度。

另外，循环气体体积比运算部123基于目标电流，根据预先决定的图表来运算循环气体中的氢气体积比。然后，循环气体体积比运算部123根据循环气体中的氢气和水蒸气的体积比来计算氮气的体积比。

合流前供给气体焓运算部124基于合流前供给气体流量和供给气体温度，根据规定的数式等来运算合流前供给气体的焓。合流前氢流量是供给气体流量减去循环气体中的氢气流量而得到的值。供给气体温度是向喷射泵25供给的负极气体的温度，是基于从温度传感器41输出的检测信号而计算的。

循环气体焓运算部125基于循环气体中的氢气、氮气以及水蒸气气体各自的流量以及循环气体温度，根据规定的数式等来运算循环气体的焓。

合流后气体温度运算部126运算合流前供给气体与合流前的循环气体在喷射泵25中合流后得到的合流后气体的温度。

具体地说，合流后气体温度运算部126将合流前供给气体和循环气体的各焓相加来计算针对合流前的气体的总焓。合流后气体温度运算部126基于循环气体的体积比，对合流前供给气体流量与氢气的比热相乘而得到的热容、循环气体中的氮气流量与氮气的比热相乘而得到的热容以及循环气体中的水蒸气流量与水蒸气比热相乘而得到的热容进行累计。合流后气体温度运算部126将合流前的总焓除以该累计得到的热容来计算合流后的气体温度。

根据本发明的第一实施方式，燃料电池系统100包括：冷却水泵32，其向燃料电池堆1供给冷却水(冷却介质)；以及热交换器23，其在被燃料电池堆1升温的冷却水与流过负极气体供给通路22的负极气体之间交换热。另外，燃料电池系统100包括喷射泵25来作为使从燃料电池堆1排出的负极排气循环到燃料电池堆1的部件。

在这种燃料电池系统中，在对燃料电池堆1进行暖机时，在本实施方式中，在堆温度低于暖机判定阈值时，堆暖机控制部220将供给到燃料电池堆1的冷却水的流量控制为预先决定的暖机要求流量。暖机要求流量被设定为比由通常控制部210设定的流量小的值。

而且，在堆暖机控制部220对冷却水流量进行控制时，气体流路冻结防止控制部230基于与负极排气的温度有相关性的燃料电池堆1的冷却水温度，使供给到热交换器23的冷却水的流量相对于暖机要求流量而言上升。

由此，在燃料电池堆1的暖机中，被热交换器23加热的负极气体的升温速度变快，因此能够减少从热交换器23供给的负极气体与负极排气合流时生成的冰的量。

因此，能够避免气体流路被在燃料电池堆1的暖机中生成的冰堵塞。因而，能够在实现燃料电池堆1的尽快暖机的同时，防止使从燃料电池堆1排出的气体循环的部件冻结。

此外，在本实施方式中，说明了基于燃料电池堆1的冷却水温度来使供给到热交换器23的冷却水的流量相对于暖机要求流量而言上升的例子，但是不限于此。例如，也可以在负极气体循环通路26上设置温度传感器，基于从该温度传感器输出的检测信号，使供给到热交换器23的冷却水的流量相对于暖机要求流量而言上升。

在本实施方式中，在负极排气的温度(循环气体温度)超过水分上升阈值Th_s的情况下，切换部300将控制冷却水流量的控制部从堆暖机控制部220切换为气体流路冻结防止控制部230。然后，气体流路冻结防止控制部230使供给到热交换器23的冷却水的流量比暖机要求流量增加。水分上升阈值Th_s被设定为负极排气中的水蒸气量会大幅上升的温度、也就是说0℃以上的温度。

这样，在负极排气中的水蒸气量上升之前不使冷却水流量增加，因此能够在促进燃料电池堆1的暖机的同时，避免冷却水泵32的消耗电力的增大。

此外，在本实施方式中，说明了将喷射泵25用作使负极气体循环的部件的例子，但是也可以使用压缩机、泵等。另外，本实施方式的燃料电池系统100使负极排气循环到燃料电池堆1，但是即使是使正极排气循环到燃料电池堆1的燃料电池系统也能够得到与本实施方式同样的作用效果。

如以上那样，在使负极排气和正极排气中的至少一个排出气体循环到燃料电池堆1的燃料电池系统中，通过在暖机中基于排出气体的温度来使冷却水流量上升，能够防止气体流路的冻结。

(第二实施方式)

图5是表示本发明的第二实施方式中的冷却水流量控制部200的详细结构的框图。

本实施方式的燃料电池系统的结构与图1所示的燃料电池系统100基本相同。下面，对与燃料电池系统100相同的结构标注同一标记，并省略说明。

冷却水流量控制部200包括通常控制流量运算部211、暖机要求流量运算部221、减法器231、气体升温要求流量运算部232、流量校正值运算部233、乘法器234、冷却水温度差计算部241以及堆过升温防止流量运算部242。另外，冷却水流量控制部200包括切换器310、切换器320、解除值保持部321、要求流量设定部330以及冷却水目标流量设定部340。

通常控制流量运算部211在燃料电池堆1的暖机完成之后，运算用于适当地维持燃料电池堆1的温度的冷却水流量(以下称为“通常控制流量”。)。燃料电池堆1的目标电流越大，则通常控制流量运算部211使通常运转流量越大。此外，通常控制流量运算部211构成基于电负载4来控制冷却水流量的通常控制部210。

在本实施方式中，在通常控制流量运算部211中预先存储有表示燃料电池堆1的目标电流与通常运转流量之间的关系的通常运转图表，通常控制流量运算部211当获取到目标电流时，参照通常运转图表来计算与该目标电流相对应的通常运转流量。

暖机要求流量运算部221运算用于对燃料电池堆1进行暖机的冷却水流量(以下称为“暖机要求流量”。)。暖机要求流量被设定为比通常控制流量小的值。另外，燃料电池堆1的温度越低，则暖机要求流量运算部221使暖机要求流量越小。

由此，燃料电池堆1的温度越低，则越抑制从由于发电而发热的燃料电池堆1向冷却水散出的热量，因此能够促进燃料电池堆1的暖机。此外，暖机要求流量运算部221构成在对燃料电池堆1进行暖机时使冷却水流量小于通常控制流量的堆暖机控制部220。

在本实施方式中，在暖机要求流量运算部221中预先存储有表示与燃料电池堆1的温度有相关性的冷却水温度同暖机要求流量之间的关系的暖机运转图表，暖机要求流量运算部221当获取到冷却水温度时，参照暖机运转图表来计算与该冷却水温度相对应的暖机要求流量。

切换器310根据堆暖机标志的设定状态，将输出到要求流量设定部330的值切换为通常控制流量或暖机要求流量。

在图3所示的步骤S103中堆暖机标志被设定为ON的情况下，切换器310将暖机要求流量输出到要求流量设定部330。另一方面，在堆暖机标志被设定为OFF的情况下，切换器310将通常控制流量输出到要求流量设定部330。

减法器231通过从堆入口水温减去供给气体温度来计算温度差ΔT。供给气体温度是在零下启动时与喷出气体温度有相关性的参数，由图1所示的温度传感器41来检测。此外，也可以使用由图4所示的喷出气体温度运算部120运算出的喷出气体温度来代替供给气体温度。

堆入口水温是与负极排气的温度(循环气体温度)有相关性的参数，由图1所示的堆入口水温传感器43来检测。

通过使用堆入口水温传感器43的检测值来代替负极排气的温度，不需要在负极气体循环通路26上新设置温度传感器，也不再需要实施针对该温度传感器的冻结防止对策，因此能够抑制制造成本的增加。

此外，在本实施方式中，以燃料电池堆1是将负极气体出口孔与冷却水入口孔形成为相邻接的所谓逆流型的燃料电池堆为前提。与此相对，在使用将负极气体出口孔与冷却水出口孔形成为相邻接的燃料电池堆的情况下，优选的是使用堆出口水温来代替堆入口水温。另外，也可以在负极气体循环通路26上设置温度传感器，使用从该温度传感器输出的检测信号。

气体升温要求流量运算部232运算用于使被热交换器23加热的负极气体的温度比暖机运转时更迅速地上升的冷却水流量(以下称为“气体升温要求流量”。)。气体升温要求流量被设定为比暖机要求流量大的值。

堆入口水温与供给气体温度之间的温度差ΔT越大，则通过增加冷却水流量来使负极气体升温的效果越大，因此气体升温要求流量运算部232使气体升温要求流量越大。

另外，燃料电池系统100启动的时间点的冷却水温度越低，则使喷出气体温度上升到冰点所需的时间越长，因此气体升温要求流量运算部232使气体升温要求流量越高。通过使气体升温要求流量高，升温时间变短，因此能够抑制流路被在喷射泵25内生成的冰堵塞。

此外，气体升温要求流量运算部232构成基于负极排气的温度来使冷却水流量相对于暖机要求流量而言上升的气体流路冻结防止控制部230。

在本实施方式中，在气体升温要求流量运算部232中预先存储有表示温度差ΔT与气体升温要求流量之间的关系的冻结防止控制图表。关于冻结防止控制图表，参照图6在后面叙述。

气体升温要求流量运算部232当获取到启动时的冷却水温度和温度差ΔT时，参照冻结防止控制图表，来计算与启动时的冷却水温度下的温度差Δ相对应的气体升温要求流量。气体升温要求流量运算部232将该气体升温要求流量输出到乘法器234。

流量校正值运算部233运算对气体升温要求流量进行校正的校正值。流量校正值运算部233基于燃料电池堆1的目标电流和HFR来计算校正值。

例如，目标电流越大，则冷却水温度越高而使负极气体升温的效果越大，因此流量校正值运算部233使校正值越大以使得气体升温要求流量越大。

另外，HFR越小，则负极排气所包含的水蒸气量越多，因此流量校正值运算部233使校正值越大以使得气体升温要求流量越大。

在本实施方式中，在流量校正值运算部233中，按HFR预先存储有表示目标电流与气体升温要求流量之间的关系的校正图表。关于校正图表，参照图7在后面叙述。

流量校正值运算部233当获取到目标电流和HFR时，参照根据该HFR确定的校正图表，来计算与该目标电流相对应的校正值。流量校正值运算部233将该校正值输出到乘法器234。

乘法器234通过使校正值与气体升温要求流量相乘，来对气体升温要求流量进行校正。乘法器234将校正后的气体升温要求流量输出到切换器320。

解除值保持部321保持零来作为解除冻结防止控制的值。

切换器320根据气体流路冻结防止标志的设定状态，将输出到要求流量设定部330的值切换为校正后的气体升温要求流量或零。

在图3所示的步骤S107中气体流路冻结防止标志被设定为ON的情况下，切换器320将气体升温要求流量输出到要求流量设定部330。另一方面，在气体流路冻结防止标志被设定为OFF的情况下，切换器320将零输出到要求流量设定部330以使得冻结防止控制被解除。

要求流量设定部330将从切换器310输出的通常控制流量或暖机要求流量与从切换器320输出的气体升温要求流量或零中的较大一方的值设定为要求流量，将该要求流量输出到冷却水目标流量设定部340。

例如，在气体流路冻结防止标志被设定为OFF的状态下堆暖机标志被设定为ON的情况下，要求流量设定部330作为冷却水的要求流量而输出暖机要求流量。而且，在堆暖机标志被设定为ON的情况下气体流路冻结防止标志被切换为ON时，要求流量设定部330输出比暖机要求流量大的气体升温要求流量。

由此，供给到热交换器23的冷却水的流量增加，因此向在热交换器23中通过的负极气体散出的散热量增大，能够缩短到从喷射泵25喷出的负极气体的喷出气体温度达到冰点为止的升温时间。因此，能够避免流路被在喷射泵25内形成的冰堵塞。

另外，在喷出气体温度超过了冻结解除阈值Th_e时，气体流路冻结防止标志被设定为OFF，因此要求流量设定部330将冷却水的要求流量从气体升温要求流量切换为暖机要求流量。

由此，能够防止在喷射泵25未冻结的状态下增加冷却水流量来无用地增大冷却水泵32的消耗电力。

冷却水温度差计算部241从堆出口水温减去堆入口水温来计算燃料电池堆1的入口与出口之间的冷却水温度差，将该冷却水温度差输出到堆过升温防止流量运算部242。

堆过升温防止流量运算部242运算用于避免在驱动燃料电池系统100时燃料电池堆1的温度变得过高的冷却水流量(以下称为“过升温防止流量”。)。启动处理中的过升温防止流量被设定为比通常控制流量小的值。

燃料电池堆1的目标电流越大，则伴随燃料电池堆1的发电而产生的发热量越大，因此堆过升温防止流量运算部242使过升温防止流量越大。另外，冷却水温度差越大，则堆过升温防止流量运算部242使过升温防止流量越大，以使得燃料电池堆1的出口侧的温度下降到入口侧的温度。

在本实施方式中，在堆过升温防止流量运算部242中按冷却水温度差预先存储有表示目标电流与过升温防止流量之间的关系的过升温防止图表。关于校正图表，参照图8在后面叙述。

堆过升温防止流量运算部242当获取到冷却水温度差和目标电流时，参照根据冷却水温度差确定的过升温防止图表，来计算与目标电流相对应的过升温防止流量。堆过升温防止流量运算部242将该过升温防止流量输出到冷却水目标流量设定部340。

冷却水目标流量设定部340将过升温防止流量与从要求流量设定部330输出的值中的较大一方的值设定为冷却水目标流量。

例如，在堆暖机标志被设定为ON的情况下过升温防止流量变得大于暖机要求流量时，冷却水目标流量设定部340将过升温防止流量设定为冷却水目标流量。由此，能够防止燃料电池堆1的温度相对于暖机要求流量而言变得过高。

图6是表示气体升温要求流量运算部232中存储的冻结防止控制图表的一例的图。

如图6所示，在冻结防止控制图表中，按启动时的冷却水温度，使通过减法器231计算出的温度差ΔT与气体升温要求流量相互对应。温度差ΔT是从热交换器23向喷射泵25供给的气体的温度与从燃料电池堆1向喷射泵25循环的气体的温度之差。

在冻结防止控制图表中，温度差ΔT越大，则冷却水流量越大。这是由于，在热交换器23中负极气体与冷却水之间的温度差越大，则使冷却水流量增加得越多，由此冷却水向负极气体散发的热量增加得越多。

另外，在同一温度差ΔT下，启动时的冷却水温度越低，则气体升温要求流量越大。这是由于，系统启动时的冷却水温度越低，则使负极气体上升到冻结解除阈值Th_e的幅度越大，升温时间越长，因此要对其进行抑制。

图7是表示流量校正值运算部233中存储的校正图表的一例的图。

如图7所示，在校正图表中，按燃料电池堆1的HFR，使目标电流与校正值相互对应。

在校正图表中，目标电流越大，则校正值越大以使气体升温要求流量越大。这是由于，目标电流越大，则冷却水温度越会因燃料电池堆1的发热而上升，温度差ΔT越大，因此通过使供给到热交换器23的冷却水流量增加，负极气体的温度变得容易上升。

另外，在同一目标电流下，HFR越大，则校正值越小以使气体升温要求流量越小。这是由于，HFR越大、即燃料电池越干燥，则被喷射泵25吸引的负极排气中的水蒸气量越少，因此在喷射泵25内生成的冰的增加量越少。

图8是表示堆过升温防止流量运算部242中存储的过升温防止图表的一例的图。

如图8所示，在校正图表中，按冷却水温度差，使燃料电池堆1的目标电流与过升温防止流量相互对应。

在过升温防止图表中，目标电流越大，则过升温防止流量越大。这是由于，目标电流越大，则燃料电池堆1的发热量也越大，因此要抑制燃料电池堆1的急剧的温度上升。

另外，在同一目标电流下，冷却水温度差越大，则气体升温要求流量越大。这是由于，冷却水温度差越大，则燃料电池堆1的出口侧相比于入口侧而言越未能冷却燃料电池，因此要使燃料电池堆1的出口侧的温度降低。

接着，参照图9和图10来说明本实施方式中的冷却水流量控制部200的动作。

图9是通过冷却水流量控制部200执行喷射泵25的冻结防止控制时的时序图。

图9的(a)是表示燃料电池系统100的运转状态的变化的图。图9的(b)是被喷射泵25吸引的合流前的负极排气的温度(循环气体温度)、向喷射泵25供给的合流前的负极气体的温度(供给气体温度)、以及合流前的供给气体与循环气体在喷射泵25中合流之后的负极气体的温度(合流后气体温度)各自的变化的图。

在此，作为合流前的循环气体温度，示出了冷却水温度的变化。此外，冷却水温度是由堆入口水温传感器43检测出的冷却水的温度，供给气体温度是由温度传感器41检测出的负极气体的温度。合流后气体温度是从喷射泵25喷出的合流后的负极气体的温度。

图9的(c)是表示从冷却水泵32喷出的冷却水流量的变化的图。在图9的(c)中，通过虚线来表示暖机要求流量，通过点划线来表示气体升温要求流量。图9的(d)是表示在喷射泵25内形成的冰量的变化的图。

图9的(a)至图9的(d)的各附图的横轴是相互共同的时间轴。另外，在图9的(b)和图9的(d)中，通过虚线示出了不执行气体流路冻结防止控制而仅执行暖机运转时的变化。

在时刻t0之前，如图9的(a)所示，燃料电池系统100处于停止状态，冷却水温度为与0℃相比极低的温度、例如-20℃，供给气体温度为比冷却水温度更低的温度、例如-30℃。

在时刻t0，燃料电池系统100被启动，由于冷却水温度低于暖机判定阈值，因此堆暖机标志被设定为ON，执行暖机运转。

在暖机运转中，控制器110从燃料电池堆1向压缩机12、冷却水泵32、加热器35等辅机供给发电电力，通过伴随燃料电池堆1的发电的自发热以及加热器35的散热对燃料电池堆1进行暖机。由此，如图9的(b)所示，冷却水温度逐渐上升。

此时，如图9的(c)所示，冷却水流量控制部200将从冷却水泵32喷出的冷却水流量设定为暖机要求流量。然后，冷却水温度随着时间经过而上升，因此冷却水流量控制部200使暖机要求流量随着时间经过而单调递增。此外，冷却水流量控制部200也可以根据冷却水温度的变化来使暖机要求流量变大。

在时刻t1，如图9的(b)所示，冷却水温度超过水分上升阈值Th_s，因此气体流路冻结防止标志被设定为ON。与此相伴，冷却水流量控制部200如图9的(c)所示那样使冷却水流量从暖机要求流量上升到气体升温要求流量。

由此，供给到热交换器23的冷却水的流量增加，因此如图9的(b)所示，与仅进行暖机运转的情况相比，合流前的负极气体温度的上升速度变快，由此合流后的负极气体温度的上升速度也同样变快。

如图9的(d)所示，在喷射泵25内的冰增加的定时之前设定为暖机要求流量，由此能够确保长的燃料电池堆1的暖机时间，从而能够避免无用地增加冷却水流量。

从时刻t1起随着时间经过，循环气体温度与喷出气体温度之间的温度差ΔT、即循环气体温度与供给气体温度之间的温度差变小，因此冷却水流量的增加所带来的负极气体的升温效果变小。因此，冷却水流量控制部200如图9的(c)所示那样使气体升温要求流量减少。

由此，能够防止在无助于供给气体温度和喷出气体温度的上升的状况下超过需要地使冷却水流量增加。因而，能够减少冷却水泵32的消耗电力，还能够通过降低冷却水流量来促进燃料电池堆1的暖机。

当经过时刻t2时，如图9的(b)所示，合流后的负极气体温度超过冻结解除阈值Th_e，因此气体流路冻结防止标志被切换为OFF。与此相伴，冷却水流量控制部200如图9的(c)所示那样将冷却水流量从气体升温要求流量切换为暖机要求流量。由此，促进燃料电池堆1的暖机

与此相伴，如图9的(b)所示，合流后的负极气体温度暂时降低，但是负极气体温度未降低到0℃(冰点温度)就再次上升。通过像这样将冻结解除阈值Th_e设定为比0℃高，能够防止在切换为暖机要求流量后喷射泵25冻结。

另外，合流后的负极气体温度被维持为高于0℃，因此如图9的(d)所示，在喷射泵25内形成的冰立即融解。

通过像这样在循环气体中的水蒸气量开始增加的定时执行气体流路冻结防止控制，执行气体流路冻结防止控制的时间(t1-t2)被缩短，并且能够确保更长的暖机运转的时间。因而，能够在抑制冷却水泵32的消耗电力的增加的同时促进燃料电池堆1的暖机。

此外，在图9中说明了循环气体温度与喷出气体温度之间的温度差ΔT变小的例子，参照图10来简单说明温度差ΔT变大的例子。

图10是在执行气体冻结防止控制的期间温度差ΔT变大时的时序图。

图10的(a)至图10的(d)的各附图的纵轴分别与图9的(a)至图9的(d)的各附图的纵轴相同，横轴是相互共同的时间轴。在此，说明时刻t11至时刻t12的燃料电池系统100的状态。

在时刻t11，循环气体温度超过水分上升阈值Th_s，因此冷却水流量控制部200如图10的(c)所示那样将冷却水流量切换为气体升温要求流量。之后，如图10的(b)所示，循环气体温度与喷出气体温度之间的温度差ΔT变大。同样地，循环气体温度与供给气体温度之间的温度差也变大。

在这种情况下，供给到热交换器23的冷却水流量的增加所引起的合流后的负极气体的升温效果变大，因此冷却水流量控制部200如图10的(c)所示那样使气体升温要求流量增加。由此，如图10的(b)所示，喷出气体温度比图9的(b)所示的时刻t1至时刻t2的喷出气体温度更快地达到冻结解除阈值Th_e。

这样，温度差ΔT越大，则使气体升温要求流量增加得越多，由此能够在短时间内有效地使喷出气体温度高于冰点。

通过如图9和图10所示那样根据温度差ΔT使气体升温要求流量增减，能够在抑制冷却水泵32的消耗电力的增加的同时，防止喷射泵25内的气体流路冻结而堵塞。

根据本发明的第二实施方式，在被喷射泵25吸引的负极排气的温度超过水分上升阈值Th_s的情况下，气体升温要求流量运算部232使冷却水流量相对于由暖机要求流量运算部221运算出的暖机要求流量而言增加。

由此，从热交换器23向喷射泵25供给的负极气体的温度上升，因此能够在喷射泵25冻结而流路堵塞之前将喷射泵25内形成的冰融解。

另外，在本实施方式中，从喷射泵25喷出的喷出气体的温度与负极排气的温度(循环气体温度)之间的温度差越大，则气体升温要求流量运算部232使冷却水流量相对于暖机要求流量而言增加的幅度越大。

这样，在通过增加冷却水流量来在热交换器23中使负极气体的温度上升的效果大时，使冷却水流量的增加幅度大，因此能够高效地驱动冷却水泵32。

另外，在本实施方式中，如图7所示，与负极气体的供给流量有相关性的目标电流越大，则流量校正值运算部233使校正值越大以使得气体升温要求流量越大。即，向燃料电池堆1供给的气体的流量越多，则流量校正值运算部233使从暖机要求流量到气体升温要求流量的增加幅度越大。

负极气体的流量越大，则越需要增加在热交换器23中从冷却水向负极气体散出的热量，以确保在热交换器23中通过的负极气体的升温速度。因此，通过以负极气体的流量越大则相比于暖机要求流量的增加幅度越大的方式对气体升温要求流量进行校正，能够迅速且可靠地使负极气体的温度上升。

另外，在本实施方式中，如图7所示，与燃料电池的电解质膜的湿润度有相关性的HFR越大，则流量校正值运算部233使校正值越大以使得气体升温要求流量越大。即，燃料电池的电解质膜越干燥，则流量校正值运算部233使冷却水流量的增加幅度越小。

在电解质膜干燥的情况下，负极排气中的水蒸气量变少，在喷射泵25内形成的冰的增加量变少。因此，通过以电解质膜越干燥则冷却水流量的增加幅度越小的方式对气体升温要求流量进行校正，能够在抑制喷射泵25的冻结的同时减少冷却水泵32的消耗电力。

另外，在本实施方式中，在从喷射泵25喷出的气体的温度(喷出气体温度)超过冻结解除阈值Th_e的情况下，气体流路冻结防止标志被设定为OFF。当气体流路冻结防止标志被设定为OFF时，切换器320输出零来作为解除气体升温要求流量的值。即，切换器320基于从喷射泵25喷出的气体的温度，对供给到热交换器23的冷却水流量的上升进行限制。

由此，能够防止无用地增加冷却水流量，因此能够抑制冷却水泵32的消耗电力的增加。另外，通过限制冷却水流量的上升，能够促进燃料电池堆1的暖机。

另外，在本实施方式中，喷出气体温度运算部120基于从热交换器23向喷射泵25供给的气体的温度以及向喷射泵25循环的气体的温度，来计算喷出气体温度。

而且，在喷出气体温度上升到例如0℃的冻结解除阈值(限制阈值)时，切换器320将供给到热交换器23的冷却水流量切换为比气体升温要求流量小的暖机要求流量。

由此，能够在抑制无用的冷却水流量的增加的同时，促进燃料电池堆1的暖机。另外，不需要新设置限制冷却水流量的模块，因此能够抑制运算负荷。

此外，在本实施方式中，说明了以下的例子：在循环气体温度为水分上升阈值Th_s以上、且喷出气体温度为冻结解除阈值Th_e以下的情况下，使供给到热交换器23的冷却水流量从暖机要求流量上升。

在这种情况下，也可以是，在循环气体温度为冰点以上且喷出气体温度为冰点以下时，气体流路冻结防止控制部230使供给到热交换器23的冷却水的流量从暖机要求流量上升。

作为像这样将水分上升阈值Th_s和冻结解除阈值Th_e设定为0℃的理由，首先，如果喷出气体温度不是0℃以下，则在喷射泵25内不生成冰。另外，如图9所示，如果循环气体温度不高于0℃，则即使合流后气体温度为冰点以下，负极排气所包含的水蒸气量也极少，因此在喷射泵25内几乎不生成冰。

因而，在循环气体温度为0℃以上且喷出气体温度为0℃以下的情况下，在喷射泵25内生成的冰会增加，因此在这种条件成立时使冷却水流量上升。由此，只要在变为喷射泵25内的冰增加这样的状态时，就通过热交换器23对负极气体进行加热，因此能够确切地防止喷射泵25的冻结。

(第三实施方式)

图11是表示本发明的第三实施方式中的燃料电池系统101的结构例的图。

燃料电池系统101除了图1所示的燃料电池系统100的结构以外，还具备旁路冷却水泵38。下面，对与燃料电池系统100相同的结构标注同一标记，并省略说明。

旁路冷却水泵38设置于分支通路37的、从冷却水循环通路31分支出分支通路37的部分与热交换器23之间的位置。旁路冷却水泵38由控制器110来控制。

在图3的步骤S107中气体流路冻结防止标志被切换为ON的情况下，控制器110使从旁路冷却水泵38供给到热交换器23的冷却水流量增加。

图12是表示本实施方式中的控制器110所具备的冷却水流量控制部201的结构的一例的框图。

冷却水流量控制部201具备加法器350、冷却水目标流量设定部360以及旁路目标流量设定部370来代替图5所示的要求流量设定部330和冷却水目标流量设定部340。其它结构与图5所示的冷却水流量控制部200的结构相同，因此标注同一标记，并省略说明。

加法器350将从切换器320输出的校正后的气体升温要求流量或零与过升温防止流量相加。例如，在气体流路冻结防止标志被设定为ON的情况下，加法器350将过升温防止流量与气体升温要求流量相加而得到的值作为冷却水总流量输出到冷却水目标流量设定部360。

冷却水目标流量设定部360将从加法器350输出的冷却水总流量与从切换器310输出的通常控制流量或暖机要求流量中的较大一方的值设定为冷却水目标流量。然后，冷却水目标流量设定部360将冷却水目标流量分别输出到旁路目标流量设定部370和冷却水泵转速运算部410。

例如，在堆暖机标志被设定为ON的情况下气体流路冻结防止标志被设定为ON时，冷却水目标流量设定部360将从加法器350输出的冷却水总流量作为冷却水目标流量来输出。

另外，在堆暖机标志被设定为ON的情况下气体流路冻结防止标志被设定为OFF时，冷却水目标流量设定部360将从加法器350输出的过升温防止流量作为冷却水目标流量来输出。

旁路目标流量设定部370将冷却水目标流量减去过升温防止流量而得到的值作为旁路目标流量的设定值输出到旁路冷却水泵转速运算部420。

例如，在堆暖机标志被设定为ON的情况下气体流路冻结防止标志被设定为ON时，旁路目标流量设定部370输出冷却水总流量减去过升温防止流量而得到的值、即气体升温要求流量。

由此，通过冷却水泵32向燃料电池堆1供给与过升温防止流量同等的冷却水流量，并且通过旁路冷却水泵38向热交换器23供给与气体升温要求流量同等的冷却水流量。

另外，在堆暖机标志被设定为ON的情况下气体流路冻结防止标志被设定为OFF时，旁路目标流量设定部370输出暖机要求流量减去过升温防止流量而得到的值。

由此，通过冷却水泵32向燃料电池堆1供给与暖机要求流量同等的冷却水流量，并且通过旁路冷却水泵38向热交换器23供给与过升温防止流量同等的冷却水流量。

冷却水泵转速运算部410基于冷却水目标流量来运算冷却水泵32的转速。另外，冷却水泵转速运算部410根据燃料电池堆1的冷却水温度对冷却水泵32的转速进行校正。

在本实施方式中，在冷却水泵转速运算部410中按冷却水温度存储有表示冷却水目标流量与冷却水泵转速之间的关系的转速指令图表。关于转速指令图表，参照图13在后面叙述。

然后，冷却水泵转速运算部410当获取到冷却水温度和冷却水目标流量时，参照根据冷却水温度确定的转速指令图表，来计算与冷却水目标流量相对应的转速。冷却水泵转速运算部410将该转速指示给冷却水泵32。

旁路冷却水泵转速运算部420基于旁路目标流量来运算旁路冷却水泵38的转速。另外，旁路冷却水泵转速运算部420根据冷却水泵32的转速对旁路冷却水泵38的转速进行校正。

此外，也可以是，燃料电池堆1的冷却水温度越小，则冷却水的粘性越低，因此旁路冷却水泵转速运算部420使旁路冷却水泵38的转速越大。

在本实施方式中，在旁路冷却水泵转速运算部420中按冷却水泵32的转速存储有表示旁路目标流量与旁路冷却水泵转速之间的关系的旁路转速指令图表。关于旁路转速指令图表，参照图14在后面叙述。

然后，旁路冷却水泵转速运算部420当获取到旁路目标流量和冷却水泵32的转速时，参照根据该转速确定的旁路转速指令图表，来计算与旁路目标流量相对应的转速。旁路冷却水泵转速运算部420将该转速指示给旁路冷却水泵38。

图13是表示冷却水泵转速运算部410中存储的转速指令图表的一例的图。

如图13所示，在转速指令图表中，按燃料电池堆1的冷却水温度，使冷却水目标流量与冷却水泵32的转速相互对应。在转速指令图表中，冷却水目标流量越大，则冷却水泵32的转速越大，其变大的方式为非线性的方式。另外，在同一冷却水目标流量下，冷却水温度越低，则冷却水的粘性越降低，因此冷却水泵32的转速越大。

图14是表示旁路冷却水泵转速运算部420中存储的旁路转速指令图表的一例的图。

如图14所示，在旁路转速指令图表中，按冷却水泵32的转速，使旁路目标流量与旁路冷却水泵38的转速相互对应。

在旁路转速指令图表中，旁路目标流量越大，则旁路冷却水泵38的转速越大，其变大的方式为非线性的方式。另外，在同一旁路目标流量下，冷却水泵32的转速越小，则冷却水越难以经由旁路冷却水泵38流向热交换器23，因此旁路冷却水泵38的转速越大。

根据本发明的第三实施方式，在从冷却水循环通路31分支的分支通路37上设置旁路冷却水泵38。而且，在气体流路冻结防止标志被设定为ON时，冷却水流量控制部201使旁路冷却水泵38的转速大，使供给到热交换器23的冷却水流量比供给到燃料电池堆1的暖机要求流量增多。

由此，向喷射泵25供给的负极气体的温度上升后从喷射泵25喷出的负极气体的温度在短时间内上升到冰点，因此能够防止流路被在喷射泵25内生成的冰堵塞。

(第四实施方式)

图15是表示本发明的第四实施方式中的燃料电池系统101的结构例的图。

燃料电池系统102具备旁路阀39来代替图11所示的燃料电池系统102的旁路冷却水泵38。下面，对与燃料电池系统101相同的结构标注同一标记，并省略说明。

旁路阀39是设置于从冷却水循环通路31分支出分支通路37的部分的三通阀。旁路阀39由控制器110来控制。

在图3的步骤S107中气体流路冻结防止标志从OFF被切换为ON的情况下，控制器110使从旁路阀39供给到热交换器23的冷却水流量增加。

图16是表示本实施方式中的控制器110所具备的冷却水流量控制部202的结构的一例的框图。

冷却水流量控制部202具备旁路阀开度运算部430来代替图12所示的旁路冷却水泵转速运算部420。其它结构与图5所示的冷却水流量控制部200的结构相同，因此标注同一标记，省略说明。

旁路阀开度运算部430基于旁路目标流量来运算旁路阀39的开度。另外，旁路阀开度运算部430根据燃料电池堆1的冷却水温度对旁路阀39的开度进行校正。并且，也可以是，冷却水泵32的转速越大，则旁路阀开度运算部430使旁路阀39的开度越小。

在本实施方式中，在旁路阀开度运算部430中按燃料电池堆1的冷却水温度预先存储有表示旁路目标流量与旁路阀39的开度之间的关系的旁路开度指令图表。

图17是表示旁路阀开度运算部430中存储的旁路开度指令图表的一例的图。在此，旁路阀39的开度越大，则旁路阀39打开后供给到热交换器23的冷却水流量越增加。

如图17所示，在旁路开度指令图表中，按冷却水泵32的转速，使旁路目标流量与旁路阀39的开度相互对应。

在旁路开度指令图表中，旁路目标流量越大，则旁路阀39的开度越大，其变大的方式为非线性的方式。另外，在同一旁路目标流量下，冷却水泵32的转速越小，则冷却水越难以经由旁路冷却水泵38流向热交换器23，因此旁路阀39的开度越大。

旁路阀开度运算部430当获取到旁路目标流量和冷却水泵32的转速时，参照根据该转速确定的旁路开度指令图表，来计算与旁路目标流量相对应的开度。然后，旁路阀开度运算部430将该开度指示给旁路阀39。

根据本发明的第四实施方式，在从冷却水循环通路31分支出的分支通路37上设置旁路阀39。而且，在气体流路冻结防止标志被设定为ON时，冷却水流量控制部202打开旁路阀39，使供给到热交换器23的冷却水流量比供给到燃料电池堆1的暖机要求流量增多。

由此，向喷射泵25供给的负极气体的温度上升后从喷射泵25喷出的负极气体的温度在短时间内上升到冰点，因此能够防止流路被在喷射泵25内生成的冰堵塞。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。

此外，上述实施方式能够适当组合。

本申请基于2014年7月24日向日本专利局申请的特愿2014-151268要求优先权，通过参照将这些申请的全部内容引入本说明书中。