燃料电池系统的冷却介质的流量控制方法及燃料电池系统

摘要

本发明涉及燃料电池系统的冷却介质的流量控制方法及燃料电池系统，缩短低温环境下的燃料电池系统的预热时间。关于燃料电池系统中的冷却介质的流量控制方法，该燃料电池系统具有燃料电池、冷却介质的内部流路、与内部流路连接而形成循环流路的外部流路，该方法包括：(a)判定向内部流路的入口处的冷却介质的温度即入口温度是否为在燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的工序；及(b)在判定为入口温度为下限温度以上的情况下，将循环流路中的冷却介质的流量调整成比通常流量多，在判定为入口温度不为下限温度以上的情况下，将循环流路中的冷却介质的流量调整成通常流量以下的工序。

权利要求

1.一种方法，是燃料电池系统中的冷却介质的流量控制方法，所述燃料电池系统具有燃料电池、在所述燃料电池的内部形成的所述冷却介质的内部流路、在所述燃料电池的外部形成且与所述内部流路连接而形成所述冷却介质的循环流路的外部流路，所述方法包括：判定所述循环流路内的向所述内部流路的入口处的所述冷却介质的温度即入口温度是否为在所述燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的工序；及调整所述循环流路中的所述冷却介质的流量的工序，即，在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比通常流量多，所述通常流量为通常动作时所述燃料电池产生与该调整时的所述燃料电池的发热量相同的发热量时的所述冷却介质的流量，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下的工序。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

调整所述循环流路中的所述冷却介质的流量的工序包括如下工序：在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量少。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，

所述方法还包括：

取得所述燃料电池的温度的工序；及

将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量的工序，判定所述入口温度是否为所述下限温度以上的工序、和在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量多，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下的工序都在所述燃料电池系统的冰点下起动时执行预热运转的期间中，在所述燃料电池的温度比作为所述预热运转的结束时的温度而预先确定的结束温度低的期间执行，且在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下结束，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量的工序在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下执行。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，

判定所述入口温度是否为所述下限温度以上的工序包括：

取得所述循环流路内的所述内部流路的出口处的所述冷却介质的温度即出口温度的工序；

判定所述出口温度是否为所述下限温度以上的工序；

在判定为所述出口温度为所述下限温度以上的情况下，判定在从上次判定为所述出口温度为所述下限温度以上起到本次判定为所述出口温度为所述下限温度以上为止的经过期间中，是否有与所述循环流路中的至少所述外部流路的体积相当的规定体积的所述冷却介质通过了所述入口的工序；及在判定为在所述经过期间中有所述规定体积的所述冷却介质经过了所述入口的情况下，判定为所述入口温度为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度不为所述下限温度以上的情况下或判定为在所述经过期间中未有所述规定体积的所述冷却介质通过所述入口的情况下，判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的工序。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，

判定所述入口温度是否为所述下限温度以上的工序包括：

取得所述循环流路内的所述内部流路的出口处的所述冷却介质的温度即出口温度的工序；

判定所述出口温度是否为所述下限温度以上的工序；

在判定为所述出口温度为所述下限温度以上的情况下，判定在从上次判定为所述出口温度为所述下限温度以上起到本次判定为所述出口温度为所述下限温度以上为止的经过期间中，是否有与所述循环流路中的至少所述外部流路的体积相当的规定体积的所述冷却介质通过了所述入口的工序；及在判定为在所述经过期间中有所述规定体积的所述冷却介质经过了所述入口的情况下，判定为所述入口温度为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度不为所述下限温度以上的情况下或判定为在所述经过期间中未有所述规定体积的所述冷却介质通过所述入口的情况下，判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的工序。

6.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

冷却介质的内部流路，形成在所述燃料电池的内部；

外部流路，形成在所述燃料电池的外部，与所述内部流路连接而形成所述冷却介质的循环流路；

温度比较判定部，判定所述循环流路内的向所述内部流路的入口处的所述冷却介质的温度即入口温度是否为在所述燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上；及流量控制部，在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比通常流量多，所述通常流量为通常动作时所述燃料电池产生与该调整时的所述燃料电池的发热量相同的发热量时的所述冷却介质的流量，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，

在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，所述流量控制部将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量少。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的燃料电池系统，其中，

所述温度比较判定部能够取得所述燃料电池的温度，

所述流量控制部能够将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量，所述温度比较判定部在所述燃料电池系统的冰点下起动时执行预热运转的期间中，在所述燃料电池的温度比作为所述预热运转的结束时的温度而预先确定的结束温度低的期间执行所述入口温度是否为所述下限温度以上的判定，且在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下结束所述入口温度是否为所述下限温度以上的判定，所述流量控制部在所述燃料电池系统的冰点下起动时执行所述预热运转的期间中，在所述燃料电池的温度比所述结束温度低的期间执行且在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下结束如下工序：在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量多，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下，所述流量控制部在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的燃料电池系统，其中，

所述温度比较判定部执行如下工序：

取得所述循环流路内的所述内部流路的出口处的所述冷却介质的温度即出口温度，判定所述出口温度是否为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度为所述下限温度以上的情况下，判定在从上次判定为所述出口温度为所述下限温度以上起到本次判定为所述出口温度为所述下限温度以上为止的经过期间中，是否有与所述循环流路中的至少所述外部流路的体积相当的规定体积的所述冷却介质通过了所述入口，在判定为在所述经过期间中有所述规定体积的所述冷却介质经过了所述入口的情况下，判定为所述入口温度为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度不为所述下限温度以上的情况下或判定为在所述经过期间未有所述规定体积的所述冷却介质通过所述入口的情况下，判定为所述入口温度不为所述下限温度以上。

10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，

所述温度比较判定部执行如下工序：

取得所述循环流路内的所述内部流路的出口处的所述冷却介质的温度即出口温度，判定所述出口温度是否为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度为所述下限温度以上的情况下，判定在从上次判定为所述出口温度为所述下限温度以上起到本次判定为所述出口温度为所述下限温度以上为止的经过期间中，是否有与所述循环流路中的至少所述外部流路的体积相当的规定体积的所述冷却介质通过了所述入口，在判定为在所述经过期间中有所述规定体积的所述冷却介质经过了所述入口的情况下，判定为所述入口温度为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度不为所述下限温度以上的情况下或判定为在所述经过期间未有所述规定体积的所述冷却介质通过所述入口的情况下，判定为所述入口温度不为所述下限温度以上。

说明书

燃料电池系统的冷却介质的流量控制方法及燃料电池系统

[0001] 本申请主张基于在2014年11月10日提出申请的申请编号2014-227848号的日本专利申请的优先权，并将其公开的全部通过参照而援引于本申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及燃料电池系统中的冷却介质的流量控制。

背景技术

[0003] 以往，提出了如下的技术：在具有由层叠的多个单电池构成的单电池组的燃料电池系统中，在冰点下起动时，在使冷却水的泵停止而不使冷却水循环的状态下进行预热，使发电部位急速升温(JP2010-186599A)。

发明内容

[0004] 然而，在上述的技术中，对于如位于单电池组的端部的单电池那样比其他的单电池难以升温的单电池，无法从其他的单电池经由冷却水提供废热。因此，有在单电池组内产生温度分布而单电池组整体升温至规定温度需要长时间的课题。而且，在各单电池内，也无法将更容易升温的氧化剂气体的入口侧的废热经由冷却水向氧化剂气体的出口侧引导。因此，在各单电池内产生温度分布，存在单电池组整体升温至规定温度需要长时间的问题。这样的课题并不局限于冷却水，在为了调整单电池组的温度而使不冻液及空气等的任意的种类的冷却介质循环的燃料电池系统中是共通的课题。此外，在以往的燃料电池系统中，希望其小型化、低成本化、省资源化、制造的容易化、易使用度的提高等。

[0005] 本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，能够作为以下的方式实现。

[0006] (1)根据本发明的一方式，提供一种燃料电池系统中的冷却介质的流量控制方法，所述燃料电池系统具有燃料电池、在所述燃料电池的内部形成的所述冷却介质的内部流路、在所述燃料电池的外部形成且与所述内部流路连接而形成所述冷却介质的循环流路的外部流路。该方法包括：判定所述循环流路内的向所述内部流路的入口处的所述冷却介质的温度即入口温度是否为在所述燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的工序；及调整所述循环流路中的所述冷却介质的流量的工序，即，在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比通常流量多，所述通常流量为通常动作时所述燃料电池产生与该调整时的所述燃料电池的发热量相同的发热量时的所述冷却介质的流量，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下的工序。

[0007] 根据该方式的方法，在入口温度为燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的情况下，将循环流路中的冷却介质的流量调整成比通常流量多，因此促进燃料电池内的热量的传导而能够抑制燃料电池内的温度分布的发生。因此，能够缩短燃料电池整体的升温时间，能够缩短燃料电池系统的预热运转所需的时间。而且，在该方式的燃料电池系统中，根据入口温度是否为下限温度以上的判定结果而将冷却介质的流量调整成比通常流量多，使用入口温度作为在该判定中使用的温度。在此，入口温度是在循环流路中最低的温度，因此在上述温度比生成水不再冻结的温度范围的下限值高的情况下，在循环流路的任意的位置都是比该下限值高的温度。因此，将冷却介质的流量调整成比通常流量多的结果是，与在判定工序中使用其他的部位的温度的情况相比，能够更可靠地抑制燃料电池中发生生成水的再冻结的情况。

[0008] (2)在上述方式的方法中，可以的是，调整所述循环流路中的所述冷却介质的流量的工序包括如下工序：在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量少，该通常流量是通常动作时所述燃料电池产生与该调整时的所述燃料电池的发热量相同的发热量时的所述冷却介质的流量。根据该方式的方法，在入口温度不为燃料电池内生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的情况下，将循环流路中的冷却介质的流量调整成比通常流量少，因此能够抑制在燃料电池内生成水再冻结的情况，并且能够抑制燃料电池中的发热部位由冷却介质冷却而上述部位的发热量下降的情况。

[0009] (3)在上述方式的方法中，可以的是，所述方法还包括：取得所述燃料电池的温度的工序；及将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量的工序，判定所述入口温度是否为所述下限温度以上的工序、和在判定为所述入口温度为所述下限温度以上的情况下将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成比所述通常流量多，在判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的情况下将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量以下的工序都在所述燃料电池系统的冰点下起动时执行预热运转的期间中，在所述燃料电池的温度比作为所述预热运转的结束时的温度而预先确定的结束温度低的期间执行，且在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下结束，将所述循环流路中的所述冷却介质的流量调整成所述通常流量的工序在所述燃料电池的温度成为所述结束温度以上的情况下执行。根据该方式的方法，在执行预热运转的期间，能够抑制在燃料电池内生成水再冻结的情况，并且能够抑制燃料电池内的温度分布的发生，因此能够缩短预热运转所需的期间。

[0010] (4)在上述方式的方法中，可以的是，判定所述入口温度是否为所述下限温度以上的工序包括：取得所述循环流路内的所述内部流路的出口处的所述冷却介质的温度即出口温度的工序；判定所述出口温度是否为所述下限温度以上的工序；在判定为所述出口温度为所述下限温度以上的情况下，判定在从上次判定为所述出口温度为所述下限温度以上起到本次判定为所述出口温度为所述下限温度以上为止的经过期间中，是否有与所述循环流路中的至少所述外部流路的体积相当的规定体积的所述冷却介质通过了所述入口的工序；及在判定为在所述经过期间中有所述规定体积的所述冷却介质经过了所述入口的情况下，判定为所述入口温度为所述下限温度以上，在判定为所述出口温度不为所述下限温度以上的情况下或判定为在所述经过期间中未有所述规定体积的所述冷却介质通过所述入口的情况下，判定为所述入口温度不为所述下限温度以上的工序。根据该方式的方法，在判定为出口温度为下限温度以上的情况下，在经过期间内与外部流路的体积相当的规定体积的冷却介质通过入口之前，不判定为入口温度为下限温度以上，因此能够准确地进行入口温度是否为下限值以上的判定。

[0011] 本发明能够以各种方式实现。例如，能够以燃料电池系统、搭载有燃料电池系统的车辆、燃料电池系统的冰点下起动的控制方法、用于实现燃料电池系统中的冷却水的流量控制方法或燃料电池系统的冰点下起动的控制方法的程序、及记录该程序的记录介质等方式实现。

附图说明

[0012] 图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略结构的框图。

[0013] 图2是示意性地表示本实施方式的冷却水流量映射的设定内容的一例的说明图。

[0014] 图3是示意性地表示本实施方式的发热量映射的设定内容的一例的说明图。

[0015] 图4是表示本实施方式的预热时冷却水流量控制处理的步骤的流程图。

[0016] 图5是表示本实施方式的入口温度比较判定处理的步骤的流程图。

具体实施方式

[0017] A.实施方式：

[0018] A1.系统结构：

[0019] 图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略结构的框图。本实施方式的燃料电池系统10作为用于供给驱动用电源的系统，搭载于燃料电池机动车来使用。燃料电池系统10具备燃料电池100、也称为燃料气体供给排出系统的燃料气体供给排出机构200、也称为氧化剂气体供给排出系统的氧化剂气体供给排出机构300、也称为燃料电池循环冷却系统的燃料电池循环冷却机构400、也称为电力充放电系统的电力充放电机构
500、控制装置600。

[0020] 燃料电池100是所谓固体高分子型燃料电池，具备由沿着层叠方向SD层叠的多个单电池110构成的单电池组、配置于单电池组的两端的外侧而作为综合电极起作用的一对集电板111。各单电池110通过向隔着固体高分子电解质膜设置的阳极侧催化剂电极层供给的燃料气体例如氢与向阴极侧催化剂电极层供给的氧化剂气体例如空气包含的氧的电化学反应而产生电力。催化剂电极层构成为包括载持有催化剂例如铂(Pt)的碳粒子和电解质。在单电池110中在两电极侧的催化剂电极层的外侧配置有由多孔体形成的气体扩散层。作为多孔体，使用例如碳纸及碳布等碳多孔体、金属网及发泡金属等金属多孔体。在燃料电池100的内部形成有用于使燃料气体、氧化剂气体及冷却水流通的歧管。在图1中，冷却水流通歧管120由虚线示意性地表示。在本实施方式中，冷却水流通歧管120具有沿着层叠方向SD形成的未图示的冷却水供给歧管和冷却水排出歧管经由各单电池110内的冷却水流路而连接的结构。需要说明的是，上述的冷却水供给歧管与燃料电池循环冷却机构400具备的后述的冷却水供给路421连接。而且，上述的冷却水排出歧管与燃料电池循环冷却机构400具备的后述的冷却水排出路422连接。

[0021] 燃料气体供给排出机构200进行向燃料电池100的燃料气体的供给及从燃料电池100的阳极侧废气的排出。燃料气体供给排出机构200具备氢罐210、隔断阀220、喷射器221、气液分离器230、循环用泵240、清洗阀250、燃料气体供给路261、第一燃料气体排出路262、燃料气体循环路263、第二燃料气体排出路264。

[0022] 氢罐210贮藏高压氢，将作为燃料气体的氢气经由燃料气体供给路261向燃料电池100供给。隔断阀220配置在氢罐210的燃料气体的供给口附近，切换从氢罐210的氢气的供给的执行与停止。喷射器221配置于燃料气体供给路261，调整向燃料电池100的氢气的供给量及压力。气液分离器230配置于第一燃料气体排出路262，将从燃料电池100排出的阳极侧废气包含的水分离而向第二燃料气体排出路264排出，并且将分离了水之后的气体即燃料气体向燃料气体循环路263排出。循环用泵240配置于燃料气体循环路263，将从气液分离器
230排出的燃料气体向燃料气体供给路261供给。清洗阀250配置于第二燃料气体排出路
264，通过开阀，而允许由气液分离器230分离后的水或废气向大气中的排出。

[0023] 氧化剂气体供给排出机构300进行向燃料电池100的氧化剂气体的供给及从燃料电池100的阴极侧废气的排出。氧化剂气体供给排出机构300具备空气滤清器310、空气压缩器320、背压阀340、氧化剂气体供给路331、氧化剂气体排出路332。空气滤清器310通过内部具备的过滤器除去空气中的灰尘等异物，并将异物除去后的空气向空气压缩器320供给。空气压缩器320对从空气滤清器310供给的空气进行压缩而向氧化剂气体供给路331送出。背压阀340配置于氧化剂气体排出路332，调整燃料电池100中的阴极排出侧的压力即所谓背压。氧化剂气体排出路332与上述的第二燃料气体排出路264连接，经过氧化剂气体排出路332排出的水及阴极侧废气与经过第二燃料气体排出路264排出的水及阳极侧废气一起向大气中排出。

[0024] 燃料电池循环冷却机构400通过经由燃料电池100使冷却水循环来调整燃料电池100的温度。燃料电池循环冷却机构400具备散热器410、冷却水供给路421、冷却水排出路
422、旁通流路423、三通阀430、循环用泵440、温度传感器450。

[0025] 散热器410与冷却水排出路422和冷却水供给路421连接，将从冷却水排出路422流入的冷却水由来自未图示的电动风扇的送风等进行冷却后向冷却水供给路421排出。冷却水供给路421的一端与散热器410连接，另一端与燃料电池100内的冷却水流通歧管120连接。冷却水排出路422的一端与燃料电池100内的冷却水流通歧管120连接，另一端与散热器410连接。旁通流路423的一端与冷却水排出路422连接，另一端与冷却水供给路421连接。旁通流路423通过绕过散热器410使冷却水从冷却水排出路422向冷却水供给路421流通，而能够使冷却水不由散热器410冷却地循环。在本实施方式中，使用乙二醇等不冻水作为冷却水。但是，并不局限于不冻水，也可以使用空气等气体等能够热交换的任意的介质作为冷却介质。

[0026] 三通阀430配置在旁通流路423与冷却水供给路421的连接部位。通过调整三通阀430的阀开度来控制旁通流路423与冷却水供给路421的连通的有无。具体而言，在三通阀
430关闭的状态下，旁通流路423与冷却水供给路421相互未连通。此时，在燃料电池循环冷却机构400中形成循环流路。该循环流路通过将燃料电池100内的冷却水流通歧管120、冷却水排出路422、散热器410、冷却水供给路421及循环用泵440连结而形成。相对于此，在三通阀430打开的状态下，旁通流路423与冷却水供给路421相互连通。此时，在燃料电池循环冷却机构400中形成图1的虚线所示的循环流路R1。该循环流路R1通过将燃料电池100内的冷却水流通歧管120、冷却水排出路422、旁通流路423、冷却水供给路421及循环用泵440连结而形成。尤其是在三通阀430为全开的情况下，从燃料电池100的冷却水流通歧管120向冷却水排出路422排出的冷却水未朝向散热器410而朝向旁通流路423。因此，冷却水仅在上述的循环流路R1中循环。

[0027] 循环用泵440在冷却水供给路421中配置在三通阀430与燃料电池100之间，调整燃料电池循环冷却机构400中的冷却介质的循环流量。温度传感器450在冷却水排出路422中，配置于冷却水流通歧管120的出口p2的附近，测定出口p2处的冷却水的温度(以下，称为“出口温度”)，输出表示温度值的信号。需要说明的是，在本实施方式中，出口温度作为燃料电池100的温度处理。

[0028] 电力充放电机构500将从燃料电池100或蓄电池550输出的电力向负载装置510供给。在本实施方式中，负载装置510是车辆驱动用马达或各种辅机类等，与燃料电池100的正极侧的集电板111及负极侧的集电板111分别连接。电力充放电机构500具备逆变器520、电流计530、电压计540、DC-DC转换器560、蓄电池550。逆变器520与燃料电池100及蓄电池550并联连接，将从燃料电池100或蓄电池550供给的直流电流转换成交流电流向负载装置510供给。电流计530测定从燃料电池100输出的电流值，输出表示电流值的信号。电压计540测定燃料电池100的输出电压，输出表示电压值的信号。DC-DC转换器560对蓄电池550的输出电压进行升压而向逆变器520供给，而且，为了蓄积燃料电池100的剩余发电力，对输出电压进行降压而向蓄电池550供给。

[0029] 控制装置600与上述的隔断阀220、喷射器221、循环用泵240、清洗阀250、空气压缩器320、背压阀340、循环用泵440、三通阀430、逆变器520及DC-DC转换器560电连接，并对它们进行控制。而且，控制装置600与温度传感器450电连接，接收从温度传感器450输出的表示温度值的信号。控制装置600由具有CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)的未图示的微型计算机构成，通过CPU执行存储于ROM的控制用程序，而作为温度比较判定部610、流量控制部620、预热控制部630、发热量确定部640及运转控制部650起作用。

[0030] 温度比较判定部610在后述的预热时冷却水流量控制处理中，执行判定冷却水流通歧管120的入口p1的温度(以下，称为“入口温度”)是否为规定的阈值温度以上的处理(以下，称为“入口温度比较判定处理”)。流量控制部620通过调整循环用泵440的流量，来控制燃料电池循环冷却机构400中的冷却介质的流量。预热控制部630控制在燃料电池系统10中执行的预热运转。在燃料电池系统10中，点火装置接通时的燃料电池100的温度即出口温度为比0℃低的温度的情况下，执行预热运转。在本实施方式中，预热运转与通常运转相比缩减向燃料电池100的氧化剂气体即空气的供给量，由此使各单电池110以低发电效率运转，提高发电损失(热损失)而升温。缩减空气的供给量是指例如通过将空气化学计量比设定在1.0附近来执行。该预热运转执行至入口温度达到预热结束温度为止。在本实施方式中，预热结束温度被预先设定作为燃料电池100的各部位的温度成为比0℃高的规定温度以上的情况的入口温度。例如，在各单电池中能够以高效率发电的温度即72℃以上且80℃以下的规定的温度以上的情况下的入口温度预先设定作为预热结束温度。发热量确定部640确定燃料电池100的发热量。运转控制部650控制上述的各功能部610～640，并控制与空气压缩器320及喷射器221等的控制装置600电连接的各结构要素的驱动及停止，由此控制包括燃料电池100的发电在内的燃料电池系统10的运转。

[0031] 在控制装置600的未图示的ROM中，除了上述的控制程序之外，还设有冷却水流量映射存储部660及发热量映射存储部670。在冷却水流量映射存储部660中预先存储有冷却水流量映射。在发热量映射存储部670预先存储有发热量映射。

[0032] 图2是示意性地表示本实施方式的冷却水流量映射的设定内容的一例的说明图。在图2中，横轴表示燃料电池100的发热量，纵轴表示冷却水流量(每单位时间流动的冷却水的体积)。在冷却水流量映射中，将燃料电池100的发热量与冷却水流量相对应。图2所示的单点划线的线Ls表示通常运转时使用的发热量与冷却水流量的对应关系。流量控制部620在通常运转时，参照上述线Ls，基于燃料电池100的发热量来决定冷却水流量，以成为决定的流量的方式控制循环用泵440。需要说明的是，上述的“通常运转”例如是指将氧的化学计量比设为1.3～1.8而使燃料电池100运转的状态。而且，如本实施方式那样，在燃料电池系统10使用于燃料电池机动车的结构中，通常运转是指车辆正常进行行驶时的燃料电池100的运转状态。换言之，通常运转不包括进行间歇运转或过渡运转时的燃料电池100的运转状态。

[0033] 在图2中，实线所示的7条线L1、L2、L3、L4、L5、L6及L7表示在冰点下起动时执行后述的预热时冷却水流量控制处理之际使用的发热量与冷却水流量的对应关系。这7条线L1～L7根据燃料电池100的温度即出口温度来设定。具体而言，线L1设定作为燃料电池100的温度最低的情况下使用的发热量与冷却水流量的对应关系，接着按照线L2、L3、L4、L5、L6、L7的顺序，设定作为燃料电池100的温度更高的情况下使用的对应关系。线L7在燃料电池100的温度为各单电池110中产生的生成水不冻结的温度范围的下限温度以上的情况下使用。具体而言，在本实施方式中，线L7在燃料电池100的温度为0℃以上的情况下使用。相对于此，剩余的6条线L1～L6在燃料电池100的温度比0℃低的情况下使用。流量控制部620在冰点下起动时，参照这7条线L1～L7，基于燃料电池100的发热量来决定冷却水流量，以成为决定的流量的方式控制循环用泵440。

[0034] 关于7条线L1～L7中的6条线L1～L6，以随着发热量增加而冷却水量也增加的方式设定。这是因为，随着发热量增多而使冷却水流量增加，促进各单电池110间的热量的交换，使各单电池110彼此的热分布降低。而且，在这6条线L1～L6中，若是相同的发热量，则以燃料电池100的温度越高而冷却水流量越多的方式设定。换言之，若是相同的发热量，则以燃料电池100的温度越低而冷却水流量越少的方式设定。关于这样设定的理由，以下进行说明。在燃料电池100的温度比生成水不冻结的温度范围的下限温度低的情况下，若冷却水量多，则各单电池110被冷却水冷却而可能发生生成水的再冻结。而且，在发热量少的情况下若冷却水量多，则发热部位被冷却而发热量减少，预热被抑制。因此，在6条线L1～L6中，若是相同的发热量，则以燃料电池100的温度越低而冷却水流量越少的方式设定，抑制生成水的再冻结并抑制发热量的减少。而且，若6条线L1～L6都为相同的发热量，则设定比通常运转时的线Ls少的冷却水流量。这样设定的理由也与上述的若是相同发热量则以燃料电池100的温度越低而冷却水流量越少的方式设定的理由同样。即，在燃料电池100的温度比生成水不冻结的温度范围的下限温度低的情况下，将冷却水流量抑制得比通常运转时低，而抑制由冷却水的循环引起的生成水的再冻结。

[0035] 相对于此，在线L7中，在任意的发热量下，都设定比通常运转时的线Ls多的冷却水流量。在燃料电池100的温度为0℃以上的情况下，即便使冷却水循环，在各单电池110中也不会发生生成水的再冻结。因此，这种情况下，通过使尽可能多的冷却水循环，能够在短时间内使各单电池110交接热量而抑制单电池110彼此的热分布的发生，能够缩短燃料电池100的预热时间。因此，在本实施方式中，在线L7中，与发热量无关地设定循环用泵440能够供给的流量且满足与泵驱动相伴的振动及騒音的条件的上限的流量Fa作为冷却水流量。

[0036] 图3是示意性地表示本实施方式的发热量映射的设定内容的一例的说明图。在图3中，横轴表示燃料电池100的温度，纵轴表示发热量。在发热量映射中，将燃料电池100的温度与燃料电池100的发热量相对应。图3所示的3条曲线L11、L12、L13都是表示燃料电池100的温度与燃料电池100的发热量的对应关系的线。在本实施方式中，燃料电池100的温度与燃料电池100的发热量的对应关系根据燃料电池100的发电量来设定。具体而言，线L11被设定作为发电量最低的情况下使用的燃料电池100的温度与燃料电池100的发热量的对应关系，接下来，按照线L12、L13的顺序，设定作为发电量更高的情况下使用的对应关系。

[0037] 在燃料电池100的温度相同的情况下，发电量越多则发热量越多。因此，在燃料电池100的温度相同的情况下，按照线L13、L12、L11的顺序，燃料电池100的发热量变多。如各线L11～L13所示，在比较低的温度范围内，发热量相对于温度变化的变化增大。具体而言，在低温度范围下，伴随于些许的温度下降而发热量急增。这是因为，在低温度范围中燃料电池100的温度下降时，各单电池110内的催化剂的活性化受到阻碍，而且因为溢流而能够作为催化剂起作用的有效催化剂量，换言之有效发电面积减少，因此发电效率下降，从而产生热量。同样，在比较高的温度范围中，伴随于些许的温度上升而发热量急增。这是因为，在高温度范围中燃料电池100的温度上升时，各单电池110内的电解质膜干燥而膜阻力值升高，因此会产生热量。这样的发电量映射可预先通过实验求出燃料电池100的温度与发热量的关系来设定。

[0038] 在具有上述的结构的燃料电池系统10中，在预热运转执行时，执行后述的预热时冷却水流量控制处理，由此能够缩短预热运转时间。需要说明的是，上述的冷却水流通歧管120相当于权利要求中的内部流路。而且，循环流路R1相当于权利要求中的循环流路，冷却水排出路422、旁通流路423、冷却水供给路421、循环用泵440相当于权利要求中的外部流路。

[0039] A2.预热时冷却水流量控制处理：

[0040] 图4是表示本实施方式中的预热时冷却水流量控制处理的步骤的流程图。在燃料电池系统10中，当上述的预热运转开始时，预热时冷却水流量控制处理开始。需要说明的是，在预热运转的开始时，三通阀430全开，形成循环流路R1。因此，从冷却水流通歧管120排出的冷却水全部被导向旁通流路423。而且，在预热时冷却水流量控制处理的开始时，循环用泵440未被驱动，因此，循环流路R1中的冷却水的循环量为0。上述的“循环流路R1中的冷却水的循环量”表示在循环流路R1中流动的冷却水的量，在本实施方式中，表示通过了循环流路R1中的任意的位置(例如，入口p1)的冷却水的量(体积)。在预热时冷却水流量控制处理中，首先，温度比较判定部610执行入口温度比较判定处理(步骤S105)。

[0041] 图5是表示本实施方式中的入口温度比较判定处理的步骤的流程图。温度比较判定部610取得出口温度(步骤S205)，判定出口温度是否为0℃以上(步骤S210)。当判定为出口温度不是0℃以上时(步骤S210：否)，温度比较判定部610确定为入口p1的温度比0℃低(步骤S215)。在经过冷却水排出路422、旁通流路423、冷却水供给路421、循环用泵440的流路(以下，称为“外部流路”)中不存在发热的部位。相对于此，在冷却水流通歧管120中，通过预热运转而在各单电池110中产生废热。因此，在循环流路R1中，在冷却水流通歧管120中经过了各单电池110的冷却水聚集的出口p2处，冷却水的温度最高。因此，在出口温度不是0℃以上即比0℃低的情况下，在上述的步骤S215中确定为“入口p1的温度比0℃低”。

[0042] 在上述的步骤S210中，当判定为出口温度是0℃以上时(步骤S210：是)，温度比较判定部610求出从在步骤S210中上次判定为出口温度是0℃以上到在步骤S210中本次判定为出口温度是0℃以上的期间(以下，称为“判定期间”)的冷却水的循环量(步骤S220)。如后所述，在本实施方式的预热时冷却水流量控制处理中，入口温度比较判定处理反复执行至入口温度成为预热结束温度为止。因此，步骤S210也反复执行。在步骤S220中，求出从上次判定为出口温度是0℃以上时到本次判定为出口温度是0℃以上的时间，将上述时间乘以基于上述的冷却水流量映射的线L1～L7而决定的冷却水流量，由此能够求出冷却水的循环量。需要说明的是，在最初执行步骤S220的情况下，循环用泵440未驱动，因此求出循环流量为“0”。上述的判定期间相当于权利要求中的经过期间。

[0043] 温度比较判定部610基于在步骤S220中求出的循环量，判定在判定期间中是否至少循环流路R1的一周量的体积的冷却水在循环流路R1中进行了循环(步骤S225)。控制装置600具有的ROM中预先存储有循环流路R1的体积，温度比较判定部610将上述体积与在步骤S220中求出的循环量进行比较，能够判定在判定期间中是否至少循环流路R1一周量的体积的冷却水进行了循环。

[0044] 当判定为在判定期间中没有至少循环流路R1一周量的体积的冷却水循环时(步骤S225：否)，执行上述的步骤S215。因此，这种情况下，推定为入口温度比0℃低。相对于此，当判定为在判定期间中至少外循环流路R1一周量的体积的冷却水进行了循环时(步骤S225：是)，温度比较判定部610确定入口温度为0℃以上(步骤S230)。在判定为判定期间中没有至少外部流路一周量的体积的冷却水循环的情况下，推定为入口温度比0℃低的理由如下。如上所述，在循环流路R1中，冷却水的温度最高的位置为出口p2。相对于此，在循环流路R1中，冷却水的温度最低的位置是无发热部位的外部流路中的距出口p2最远的入口p1。因此，在出口p2处判定为温度为0℃以上的时刻，入口p1的温度存在比0℃低的可能性。然而，从在出口p2处判定为温度为0℃以上起，若循环流路R1一周量的体积的冷却水循环，则由于在出口p2处判定为温度为0℃以上时冷却水流通歧管120中存在的比较高温的水为一周，因此在入口p1处温度也成为0℃以上的可能性高。因此，这种情况下，确定入口温度为0℃以上。

[0045] 如图4所示，上述的入口温度比较判定处理的执行完成后，流量控制部620判定入口温度比较判定处理的结果是否为确定了入口温度为0℃以上(步骤S110)。流量控制部620在未判定为确定了入口温度为0℃以上时，换言之，判定为确定了入口温度比0℃低时(步骤S110：否)，使冷却水以比通常运转时少的流量循环(步骤S115)。“比通常运转时少的流量”是指比通常运转时燃料电池100的发热量相同的情况下的流量少的流量。具体而言，流量控制部620基于在上述的步骤S205中取得的出口温度和燃料电池100的发电量，参照发热量映射来求出燃料电池100的发热量。燃料电池100的发电量可以根据由电流计530测定的电流值和由电压计540测定的电压值来求出。在燃料电池100的发热量不是与3条线L11～L13的任一个对应的发热量的情况下，使用与更接近的发电量对应的线，通过内插法，能够求出燃料电池100的发热量。并且，流量控制部620基于求出的发热量和出口温度，参照冷却水量映射来决定冷却水的流量，并以成为决定的流量的方式控制循环用泵440。

[0046] 在执行步骤S115的情况下，出口温度比0℃低的可能性高，因此如上所述，基于图2所示的6条线L1～L6来决定冷却水流量的可能性高。需要说明的是，在本实施方式中，在出口温度不是与6条线L1～L6中的任一条线对应的温度的情况下，使用与更近的温度对应的线，通过内插法求出流量。这些线L1～L6的冷却水流量在相同的发热量下都比线Ls所示的冷却水流量少。因此，以成为基于这6条线L1～L6而决定的流量的方式控制循环用泵440，由此能够以比通常运转时少的流量使冷却水循环。由于以比通常运转时少的流量使冷却水循环，因此能抑制在各单电池110中生成水再冻结。而且，能抑制各单电池110的发热部位由冷却水冷却而发热量下降的情况。温度比较判定部610在从步骤S115的开始起到经过规定期间为止的期间反复执行步骤S115，在经过了规定期间的情况下(步骤S120：是)，返回上述的步骤S105。

[0047] 在上述的步骤S110中，在判定为确定了入口温度为0℃以上的情况下(步骤S110：是)，流量控制部620判定入口温度是否为预热结束温度以上(步骤S125)。当判定为入口温度为预热结束温度以上时(步骤S125：是)，预热时冷却水流量控制处理结束。此时，预热运转也结束而切换为通常运转。伴随于此，三通阀430打开，从冷却水流通歧管120排出的冷却水的至少一部分被送向散热器410。而且，冷却水的流量参照图2所示的线Ls来决定。

[0048] 在上述的步骤S125中判定为入口温度不是预热结束温度以上时(步骤S125：否)，流量控制部620使冷却水以比通常运转时更多的流量循环(步骤S130)。“比通常运转时多的流量”是指比通常运转时燃料电池100的发热量相同的情况下的流量多的流量。具体而言，流量控制部620基于在上述的步骤S205中取得的出口温度和燃料电池100的发电量，参照发热量映射而求出燃料电池100的发热量。并且，流量控制部620基于求出的发热量和出口温度，参照冷却水量映射来决定冷却水的流量，以成为决定的流量的方式控制循环用泵440。此时由于出口温度比0℃高，因此参照的冷却水映射是图2所示的线L7。该线L7的冷却水流量在相同的发热量下比线Ls所示的冷却水流量多。因此，以成为基于线L7而决定的流量的方式控制循环用泵440，由此能够以比通常运转时多的流量使冷却水循环。由于以比通常运转时多的流量使冷却水循环，因此在各单电池110之间热量的交换被促进，能抑制单电池
110彼此的热分布的发生。由此，能缩短预热时间。

[0049] 温度比较判定部610在从步骤S130的开始到经过规定期间为止的期间反复执行步骤S130，在经过了规定期间的情况下(步骤S135：是)，返回上述的步骤S105。

[0050] 在以上说明的本实施方式的燃料电池系统10中，在入口p1的温度比生成水不再冻结的温度范围的下限值低的情况下，使冷却水的流量比通常运转时的流量减少。因此，能够抑制在各单电池110中生成水再冻结，并且能够抑制各单电池110的发热部位被冷却水冷却而发热量下降的情况。而且，在入口p1的温度为生成水不再冻结的温度范围的下限值以上的情况下，使冷却水的流量比通常运转时的流量增多。因此，能够促进各单电池110间的热量的交换，能够抑制单电池110彼此的热分布的发生。由此，在燃料电池系统10中，能够缩短燃料电池100整体的升温时间，能够缩短预热运转所需的时间。

[0051] 而且，在燃料电池系统10中，使用入口温度作为将冷却水的流量从比通常运转时少的状态切换为比通常运转时多的状态的时机的判断所使用的温度。即，在入口温度为规定温度(0℃)以上的情况下，将冷却水的流量从比通常运转时少的状态切换为比通常运转时多的状态。这样，使用入口温度来判断切换的时机，因此能够适当地进行上述判断。入口温度在循环流路R1中是最低的温度。因此，在上述温度比生成水不会再冻结的温度范围的下限值高的情况下，无论在循环流路R1的哪个位置，冷却水的温度都是比生成水不会再冻结的温度范围的下限值高的温度。因此，即使将冷却水的流量切换为比通常运转时多的状态，在各单电池110中发生生成水的再冻结的可能性也低。

[0052] 而且，在出口温度为0℃以上的情况下，至少循环流路R1一周量的体积的冷却介质的循环完成之前不推定为入口温度为0℃以上，因此能够准确地判定入口温度是否为0℃以上。而且，由于将温度传感器450配置在出口p2附近，因此可以不用在入口p1附近配置温度传感器。因此，能够更大地确保入口p1附近的空余空间，能够使循环用泵440的安装作业简易，并且能够使用更大的泵作为循环用泵440。

[0053] B.变形例：

[0054] B1.变形例1：

[0055] 在上述实施方式中，在确定为入口温度比0℃低的情况下使用的冷却水流量映射即图2所示的6条线L1～L6中，以随着发热量增加而冷却水流量增加的方式进行了设定，但是本发明没有限定于此。例如，可以取代6条线L1～L6而设定无论发热量如何冷却水量都为0的线。在该结构中，也设定在发热量相同的情况下比线Ls少的冷却水量。而且，可以取代6条线L1～L6而使用线Ls作为在确定为入口温度比0℃低的情况下使用的冷却水流量映射。
在该结构中，通过在确定为入口温度为0℃以上的情况下使用线L7，而促进各单电池110间的热量的交换，因此能够缩短入口温度成为0℃以上起的预热运转所需的时间。

[0056] 而且，在入口温度为0℃以上的情况使用的冷却水流量映射即图2所示的线L7中，与发热量无关地设定恒定的流量Fa，但也可以取代流量Fa而设定任意的恒定值的流量。而且，该线L7与6条线L1～L6一样，可以设定成随着发热量增加而冷却水流量增加。在该结构中，无论在哪个发热量下，在线L7中都设定比线Ls的冷却水流量多的冷却水流量。

[0057] B2.变形例2：

[0058] 在上述实施方式中，基于出口温度，确定了入口温度是否为0℃以上，但是本发明没有限定于此。也可以取代出口p2，或者在出口p2设置的基础上再在入口p1配置温度传感器，将通过上述温度传感器得到的温度作为入口温度处理，可以判定入口温度是否为0℃以上。在该结构中，能够简化入口温度比较判定处理，因此能够缩短预热时冷却水流量控制处理所需的时间。

[0059] B3.变形例3：

[0060] 在上述实施方式中，入口温度比较判定处理作为预热时冷却水流量控制处理的一步骤而执行，但也可以作为与预热时冷却水流量控制处理独立的处理来执行。在该结构中，反复执行入口温度比较判定处理，作为预热时冷却水流量控制处理的最初的工序，可以设置取得入口温度比较判定处理的最新的处理结果这样的工序。

[0061] B4.变形例4：

[0062] 在上述实施方式中，采用了0℃作为单电池110内的生成水不会再冻结的温度范围的下限值，但并不局限于0℃，可以设定任意的温度。例如，也可以设定-5℃或-10℃或+3℃等与使用环境或冷却介质的种类等对应的适当的温度。

[0063] B5.变形例5：

[0064] 在上述实施方式的入口温度比较判定处理中，在判定为出口温度为0℃以上的情况下，进一步在判定为在判定期间至少循环流路R1一周量的体积的冷却水进行了循环的情况下，推定为入口温度为0℃以上，但是本发明没有限定于此。可以在判定为出口温度为0℃以上的情况下，进一步在判定为至少外部流路的体积的冷却水进行了循环的情况下，推定为入口温度为0℃以上。在至少外部流路的体积的冷却水进行了循环的情况下，判定为0℃以上的时刻位于出口p2的水经过外部流路而至少到达入口p1。因此，存在入口p1的温度成为0℃以上的可能性。

[0065] B6.变形例6：

[0066] 在上述实施方式中，燃料电池系统10作为用于供给驱动用电源的系统，搭载于燃料电池机动车来使用，但是本发明没有限定于此。例如，可以取代燃料电池机动车而搭载于电动机动车等需要驱动用电源的其他的任意的移动体来使用。而且，可以作为固定型电源例如设置在办公室或家庭中的屋内或屋外来使用。而且，燃料电池100是固体高分子型燃料电池，但也可以构成作为磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池等各种燃料电池。

[0067] B7.变形例7：

[0068] 上述实施方式中的燃料电池系统10的结构只不过是一例，能够进行各种变更。例如，可以不将第二燃料气体排出路264与氧化剂气体排出路332连接而形成为分别独立地排出废气的结构。而且，可以省略旁通流路423。在该结构中，在预热运转时可以使散热器410的风扇停止。而且，在该结构中，冷却水排出路422、散热器410、冷却水供给路421、循环用泵440相当于权利要求中的外部流路。而且，在燃料电池系统10中，在出口温度比0℃低的情况下执行了预热运转，但也可以在0℃以上的任意的温度以下的情况下进行预热。而且，冷却水流量参照冷却水映射来决定，但也可以通过使用表示燃料电池100的发热量、出口温度、冷却水流量之间的关系的关系式进行运算来决定。而且，在燃料电池系统10中，参照发热量映射求出了燃料电池100的发热量，但也可以使用规定的关系式进行运算而求出。例如，可以从燃料电池100整体的理论电动势(例如，1.4V×单电池数)减去燃料电池100的输出电压值(动作点的电压值)，并将得到的电压乘以电流值(动作点的电流值)来求出。

[0069] B8.变形例8：

[0070] 在上述实施方式中，通过硬件实现的结构的一部分可以置换成软件，反之，通过软件实现的结构的一部分可以置换成硬件。而且，在本发明的功能的一部分或全部由软件实现的情况下，该软件(计算机程序)能够以存储在计算机可读取的记录介质中的方式提供。“计算机可读取的记录介质”并不局限于软盘或CD-ROM那样的便携型的记录介质，也包括各种RAM、ROM等的计算机内的内部存储装置、硬盘等固定于计算机的外部存储装置。即，“计算机可读取的记录介质”具有包括能够将数据非暂时性地固定的任意的记录介质的广泛的意思。

[0071] 本发明并不局限于上述的实施方式及变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式、变形例中的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换、组合。而且，该技术特征在本说明书中只要不是作为必须的特征进行说明，就可以适当删除。

[0072] 标号说明

[0073] 10…燃料电池系统

[0074] 100…燃料电池

[0075] 110…单电池

[0076] 111…集电板

[0077] 120…冷却水流通歧管

[0078] 200…燃料气体供给排出机构

[0079] 210…氢罐

[0080] 220…隔断阀

[0081] 221…喷射器

[0082] 230…气液分离器

[0083] 240…循环用泵

[0084] 250…清洗阀

[0085] 261…燃料气体供给路

[0086] 262…第一燃料气体排出路

[0087] 263…燃料气体循环路

[0088] 264…第二燃料气体排出路

[0089] 300…氧化剂气体供给排出机构

[0090] 310…空气滤清器

[0091] 320…空气压缩器

[0092] 331…氧化剂气体供给路

[0093] 332…氧化剂气体排出路

[0094] 340…背压阀

[0095] 400…燃料电池循环冷却机构

[0096] 410…散热器

[0097] 421…冷却水供给路

[0098] 422…冷却水排出路

[0099] 423…旁通流路

[0100] 430…三通阀

[0101] 440…循环用泵

[0102] 450…温度传感器

[0103] 500…电力充放电机构

[0104] 510…负载装置

[0105] 520…逆变器

[0106] 530…电流计

[0107] 540…电压计

[0108] 550…蓄电池

[0109] 600…控制装置

[0110] 610…温度比较判定部

[0111] 620…流量控制部

[0112] 630…预热控制部

[0113] 640…发热量确定部

[0114] 650…运转控制部

[0115] 660…冷却水流量映射存储部

[0116] 670…发热量映射存储部

[0117] R1…循环流路

[0118] p1…入口

[0119] p2…出口

[0120] SD…层叠方向

[0121] Fa…流量

[0122] Ls、L1～L7、L11～L13…线