CN109950576B - 燃料电池系统以及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及燃料电池系统以及其控制方法。燃料电池系统(10)具有气液分离器(38)、循环流路(42)、连接流路(56)、分配流路(60)。气液分离器(38)对经由燃料排气流路(22)流入的燃料排气进行气体与液体的分离。循环流路(42)将气液分离器(38)的气体排出口(40)与燃料气体供给流路(18)连通。连接流路(56)经由排水阀(58)来将气液分离器(38)的液体排出口(54)与氧化剂气体供给流路(26)连通。分配流路(60)经由开闭阀(62)来将比燃料气体供给流路(18)与循环流路(42)的连接部(44)靠下游侧与连接流路(56)的排水阀(58)的下游侧连通，或者将循环流路(42)与连接流路(56)的排水阀(58)的下游侧连通。

Description

燃料电池系统以及其控制方法

技术领域

本发明涉及对燃料电池的阳极电极以及阴极电极供给燃料气体以及氧化剂气体来进行发电的燃料电池系统以及其控制方法。

背景技术

例如，固体高分子型的燃料电池具备在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的一方表面配设阳极电极而且在另一方表面配设阴极电极而成的电解质膜-电极结构体(MEA)。电解质膜-电极结构体被隔板夹持来构成发电单电池(单位电池)。通常，为了获得期望的发电能力，在将所需个数的发电单电池层叠成为电池堆的状态下，例如组装入燃料电池车辆等。

关于这种燃料电池，例如约70℃～100℃为最适合发电的动作温度区域，但特别是在车载等用途中，也设想在冰点下等寒冷环境中起动的情形。该情况下，燃料电池的发电反应的速度变小与低温相当的量，因此仅靠该发电反应进行加热，达到燃料电池最适合的动作温度区域为止需要长时间。因而，即使在冰点下等起动的情况下，也应使燃料电池迅速地预热至上述的动作温度区域，例如日本特开2001-189164号公报提出的燃料电池系统的低温起动方法。该方法中，向阴极电极供给氧化剂气体，并且从燃料气体供给装置供给燃料气体，使得在阴极催化体处发生发热反应。

专利文献1：日本特开2001-189164号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的主要目的在于，提供燃料电池系统，有效地利用从流入燃料排气的气液分离器的液体排出口经由排水阀排出的排出流体来对燃料电池迅速地进行预热。

本发明的其它目的在于，提供燃料电池系统，即使在排水阀冻结的情况下，也能够有效地解除排水阀的冻结并且能够对燃料电池进行迅速的预热。

本发明的另一其它目的在于，提供上述的燃料电池系统的控制方法。

用于解决问题的方案

根据本发明的一实施方式，通过燃料电池系统，其经由燃料气体供给流路向燃料电池的阳极电极供给燃料气体并且经由氧化剂气体供给流路向所述燃料电池的阴极电极供给氧化剂气体来进行发电，所述燃料电池系统具备：燃料排气流路，其使从所述阳极电极排出的燃料排气流通；气液分离器，所述燃料排气经由所述燃料排气流路流入该气液分离器，气液分离器对该燃料排气进行气体与液体的分离；循环流路，其将所述气液分离器的气体排出口与所述燃料气体供给流路连通；连接流路，其经由排水阀来将所述气液分离器的液体排出口与所述氧化剂气体供给流路连通；分配流路，其使所述燃料气体供给流路的比与所述循环流路的连接部靠下游侧与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通，或者使所述循环流路与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通；以及开闭阀，其能够对所述分配流路进行开闭。

该燃料电池系统中，向阳极电极供给燃料气体并且向阴极电极供给氧化剂气体，由此发生电化学反应(发电反应)。该发电反应的热也对从燃料电池的阳极电极向燃料排气流路排出的燃料排气进行加热。

另外，燃料排气包含在上述的发电反应中未被消耗的燃料气体的未消耗部分(以下简称为未消耗部分)、剩余的水等。因此，使燃料排气经由燃料排气流路流入到气液分离器，被分离了液体的水并且包含未消耗部分的排出气体从气体排出口向循环流路排出。循环流路经由连接部与燃料气体供给流路连接。从而，能够经由循环流路以及燃料气体供给流路，将未消耗部分再次供给到阳极电极来用于发电反应。这里，排出气体是如上所述被加热了的燃料排气经由气液分离器而获得的，因此与燃料排气同样被加热了。

另一方面，气液分离器的液体排出口经由排水阀来与连接流路连接，由此通过使排水阀打开，从该液体排出口向连接流路排出包含液体的水和未消耗部分的排出流体。这样，经由连接流路，使排出流体中包含的未消耗部分流入到氧化剂气体供给流路，由此能够使该未消耗部分与氧化剂气体一并供给到阴极电极。由此，能够在阴极催化体处发生发热反应。

从而，除上述的发电反应的热以外，由于利用在阴极催化体处的发热反应的热也能够对燃料电池进行加热，因此能够迅速地预热燃料电池。另外，由于能够有效地利用通常向大气等放出的排出流体中包含的未消耗部分，因此能够使向燃料电池系统供给的燃料气体的利用效率提高。该情况下，也能够不需要用于在向大气等放出之前对排出流体中包含的未消耗部分进行稀释的设备等。

但是，可以想到如下情形：在冰点下的寒冷环境下使燃料电池起动的情况下附着在排水阀的液体冻结，即使进行开阀指示排水阀仍然没有打开。这样，即使在因排水阀冻结而排出流体中包含的未消耗部分无法供给到阴极电极的情况下，也能够有效地解除排水阀的冻结并且对燃料电池进行迅速的预热。

即，该燃料电池系统中，通过使开闭阀打开，能够经由分配流路来将燃料气体供给流路的比连接部靠下游侧与连接流路的排水阀的下游侧连通，或者将循环流路与连接流路的排水阀的下游侧连通。由此，能够使向燃料气体供给流路供给的燃料气体与排出气体的混合气体或者排出气体在连接流路的排水阀的下游侧流通。

因此，能够代替排出流体，而使混合气体或者排出气体包含的燃料气体与氧化剂气体一并供给到阴极电极，在阴极催化剂处发生发热反应。另外，如上所述包含被加热了的排出气体的混合气体或者排出气体，被供给到连接流路的排水阀附近，由此能够利用该混合气体或排出气体的热来对排水阀进行加热。此外，也能够利用流入到气液分离器的燃料排气的热对排水阀进行加热。

其结果是，根据该燃料电池系统，即使在排水阀冻结的情况下，也能够有效地解除排水阀的冻结并且对燃料电池进行迅速的预热。

在上述的燃料电池系统中优选为，在所述连接部设置引射器，该引射器使向所述燃料气体供给流路供给的所述燃料气体与从所述气体排出口向所述循环流路排出的排出气体混合，经由电磁阀向所述引射器供给所述燃料气体，所述分配流路将所述燃料气体供给流路的比所述引射器靠下游侧与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通。

该情况下，当打开开闭阀时，引射器的下游侧的混合气体经由分配流路向连接流路的排水阀的下游侧流通，因此，在引射器的上游侧设置的电磁阀使向该引射器喷射的燃料气体的流量增大。由此，引射器产生的对排出气体的吸引力增大，因此即使不使用泵等也能够提高在燃料气体供给流路的引射器的下游侧、燃料排气流路、循环流路循环的气体的循环效率。其结果是，能够以简单的结构促进发电反应，能够迅速地进行燃料电池的预热。

在上述的燃料电池系统中优选为，还具备：温度传感器，其能够检测所述燃料电池系统的温度；控制部，其在所述燃料电池的预热开始时所述温度传感器的检测结果为预先设定的排水阀加热优先温度以下的情况下，对所述开闭阀以及所述排水阀双方进行开阀指示，所述排水阀通过通电来进行开闭。例如，在温度传感器的检测结果为排水阀加热优先温度以下的情况下对开闭阀以及排水阀双方进行开阀指示，该排水阀加热优先温度是因大幅低于0℃而判断为排水阀的冻结程度大的温度。

该情况下，即使对排水阀进行了开阀指示也没有打开的可能性高。但是，使开闭阀打开，使混合气体向连接流路的排水阀的下游侧流通，由此能够利用混合气体的热来对排水阀进行加热，并且能够使混合气体包含的燃料气体供给到阴极电极来发生发热反应。这时，由于也对排水阀进行开阀指示，因此，能够利用通电产生发热来加热该排水阀。从而，对排水阀优先地进行加热，能够有效地解除该排水阀的冻结。

在上述的燃料电池系统中优选为，所述控制部在所述预热开始时所述温度传感器的检测结果比所述排水阀加热优先温度大的情况下仅对所述开闭阀进行开阀指示，在检测到所述温度传感器的检测结果为预先设定的排水阀解冻温度以上后对所述排水阀进行开阀指示。例如，在温度传感器的检测结果比排水阀加热优先温度大因而判断为排水阀的冻结程度小的情况下，首先仅对开闭阀进行开阀指示。

由此，与从液体排出口排出的排出流体相比，能够仅使水的含有量少而燃料气体的浓度大的混合气体经由分配流路向氧化剂气体供给流路流通。因此，与使排水阀一并打开的情况相比，能够使在阴极催化剂处的发热反应更有效率地发生。另外，与排水阀打开的情况相比，能够提高在燃料气体供给流路的比连接部靠下游侧、燃料排气流路、循环流路循环的气体的压力，由此能够有效率地向阳极电极供给燃料气体来促进发电反应。其结果是，能够对燃料电池优先地进行加热。

而且，例如在温度传感器的检测结果为排水阀解冻温度以上的情况下对排水阀也进行开阀指示，该排水阀解冻温度是判断为排水阀没有冻结的温度。由此，能够有效地利用从液体排出口经由排水阀排出的排出流体来对燃料电池进行预热。

在上述的燃料电池系统中优选为，还具备压力传感器，该压力传感器检测在所述燃料气体供给流路的比所述连接部靠下游侧、所述燃料排气流路、所述循环流路循环的气体的压力，所述控制部基于所述压力传感器的检测结果来判定所述排水阀是否打开。这样，基于压力传感器的检测结果，能够容易并且高精度地判定排水阀实际上是否打开。

在上述的燃料电池系统中优选为，所述控制部在对所述排水阀以及所述开闭阀各自进行开阀指示之后判定为所述排水阀打开的情况下，对所述开闭阀进行闭阀指示。这样，在确认了排水阀根据开阀指示而打开的情况下使开闭阀关闭，由此能够有效地利用从液体排出口经由排水阀排出的排出流体来对燃料电池进行迅速的预热。另外，停止在阴极电极处的发热反应中消耗燃料气体，在发电反应中消耗燃料气体的比率变大，能够与该比率变大相应地使发电反应有效率地产生。

根据本发明的另一实施方式，提供燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统经由燃料气体供给流路向燃料电池的阳极电极供给燃料气体并且经由氧化剂气体供给流路向所述燃料电池的阴极电极供给氧化剂气体来进行发电，所述燃料电池系统的控制方法包括冻结判定工序，判定排水阀是否冻结，该排水阀用于从对从所述阳极电极排出的燃料排气进行气体与液体的分离的气液分离器的液体排出口排出包含所述液体的排出流体，在所述冻结判定工序中判定为所述排水阀没有冻结的情况下使所述排水阀维持在打开状态，所述排出流体包含的所述燃料气体的未消耗部分与所述氧化剂气体一并供给到所述阴极电极，在所述冻结判定工序中判定为所述排水阀冻结的情况下使分配流路的开闭阀维持在打开状态，分配流路将供给到所述燃料气体供给流路的所述燃料气体与从所述气液分离器的气体排出口排出的排出气体的混合气体、或者所述排出气体分配到经由所述排水阀将所述液体排出口与所述氧化剂气体供给流路连通的连接流路的所述排水阀的下游侧。

该燃料电池系统的控制方法中，在冻结判定工序中判定为排水阀没有冻结的情况下，换言之，判定为排水阀基于开阀指示而打开的情况下，从气液分离器的液体排出口排出的排出流体包含的未消耗部分与氧化剂气体一并供给到阴极电极。由此，能够在阴极催化体处发生发热反应。其结果是，也能够利用发热反应的热对燃料电池进行加热，因此能够迅速地预热燃料电池。另外，能够有效地利用通常向大气等放出的排出流体中包含的未消耗部分，因此能够使向燃料电池系统供给的燃料气体的利用效率提高。

另一方面，在冻结判定工序中判定为排水阀冻结的情况下，换言之，判定为即使进行了开阀指示但排水阀仍然没有打开的情况下，使排出气体或者混合气体包含的燃料气体与氧化剂气体一并供给到阴极电极，能够在阴极催化剂处发生发热反应。另外，通过上述的发电反应被加热了的排出气体或者混合气体被供给到连接流路的排水阀附近，能够利用该排出气体或者混合气体的热来对排水阀进行加热。从而，即使在排水阀冻结的情况下，也能够有效地解除排水阀的冻结并且对燃料电池进行迅速的预热。

在上述的燃料电池系统的控制方法中优选为，还包括选择工序，在所述冻结判定工序之前，基于所述燃料电池系统的温度的检测结果，选择使所述排水阀的加热与所述燃料电池的加热中哪一方优先。该情况下，根据燃料电池系统的温度，换言之，根据排水阀的冻结程度，来在适当的定时对燃料电池以及排水阀进行加热，因此能够进一步迅速并且顺畅地使燃料电池系统启动。

在上述的燃料电池系统的控制方法中优选为，所述开闭阀通过通电来进行开闭，在所述选择工序选择了使所述排水阀的加热优先的情况下对所述开闭阀和所述排水阀双方进行开阀指示，在选择了使所述燃料电池的加热优先的情况下仅对所述开闭阀进行开阀指示，在所述燃料电池系统的温度达到所述排水阀的冻结解除的温度后对所述排水阀进行开阀指示。

该情况下，对排水阀和开闭阀双方进行开阀指示，由此能够使排出气体或者混合气体包含的燃料气体供给到阴极电极来发生发热反应并且利用排出气体或者混合气体的热来对排水阀进行加热、以及使排水阀通电产生发热来对该排水阀进行加热。由此，特别是能够对排水阀优先地进行加热。

另一方面，在仅对开闭阀进行开阀指示的情况下，能够使与从液体排出口排出的排出流体相比，液体的水的含量少而燃料气体的浓度高的排出气体或者混合气体经由分配流路向氧化剂气体供给流路流通，由此能够使在阴极催化剂处的发热反应更有效率地发生。另外，能够与排水阀的关闭相应地，使在燃料气体供给流路、燃料排气流路、循环流路循环的气体的压力上升，促进发电反应。其结果是，特别是能够优先对燃料电池进行加热。而且，在燃料电池系统的温度达到排水阀的冻结解除的温度后也对排水阀进行开阀指示，由此能够有效地利用从液体排出口经由排水阀排出的排出流体来进行燃料电池的预热。

在上述的燃料电池系统的控制方法中优选为，在所述排水阀以及所述开闭阀各自进行了开阀指示的状态下进行所述冻结判定工序，在判定为所述排水阀没有冻结的情况下，对所述开闭阀进行闭阀指示。该情况下，燃料气体在发电反应中被消耗的比率增大，能够使发电反应有效率地发生。

参照附图所作的对以下的实施方式进行的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的燃料电池系统的概要结构图。

图2是说明燃料电池系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下，举出较佳的实施方式，参照附图详细说明本发明所涉及的燃料电池系统以及其控制方法。

本实施方式中，举例说明图1所示的燃料电池系统10被搭载于燃料电池电动汽车等燃料电池车辆(未图示)的情况，但不特别限定于此。例如，燃料电池系统10能够应用于除燃料电池车辆以外的各种移动体，也能够作为固定安置型来使用。

燃料电池系统10具备：对该燃料电池系统10进行控制的控制部12；由多个未图示的发电单电池层叠而成的电池堆形成的燃料电池14。各个发电单电池例如是一对隔板夹持着电解质膜-电极结构体而构成的，该电解质膜-电极结构体具有由固体高分子形成的电解质膜、隔着该电解质膜相向的阳极电极以及阴极电极。向阳极电极供给含氢的燃料气体，并且向阴极电极供给含氧的氧化剂气体，由此来进行发电。此外，发电单电池的结构是公知的，因此省略其图示以及详细说明。

燃料电池14中，阳极电极的燃料气体供给口16与用于供给燃料气体的燃料气体供给流路18连接，阳极电极的燃料排气排出口20与用于排出燃料排气的燃料排气流路22连接。另外，阴极电极的氧化剂气体供给口24与用于供给氧化剂气体的氧化剂气体供给流路26连接，阴极电极的氧化剂排气排出口28与用于排出氧化剂排气的氧化剂排气流路30连接。

在氧化剂气体供给流路26，从其上游侧起依次设置气泵32、加湿器34。通过驱动气泵32，从大气向氧化剂气体供给流路26取入空气作为氧化剂气体。该空气被气泵32压缩后，向加湿器34供给。加湿器34使氧化剂气体供给流路26内的氧化剂气体、氧化剂排气流路30内的氧化剂排气进行水分交换，由此将向阴极电极供给之前的氧化剂气体加湿。

向燃料气体供给流路18供给在氢罐36中贮存的氢作为燃料气体。燃料排气流路22的下游侧与气液分离器38连接，该气液分离器38对燃料排气进行气体与液体的分离。也就是说，包含未被阳极电极消耗的燃料气体的未消耗部分(以下简称为未消耗部分)、剩余的水等的燃料排气经由燃料排气流路22流入到气液分离器38。气液分离器38的气体排出口40与循环流路42连接。因此，液体的水被分离，主要包含未消耗部分的排出气体被从气体排出口40向循环流路42排出。

循环流路42的下游侧与燃料气体供给流路18连接。在循环流路42与燃料气体供给流路18的连接部44设置引射器(日文：エジェクタ)46。经由在引射器46的上游侧设置的电磁阀(器(日文：インジェクタ))48来向引射器46供给燃料气体。由此，引射器46将排出气体与燃料气体混合来形成混合气体，并且将该混合气体向燃料气体供给流路18的该引射器46的下游侧(混合气体流路50)排出。

在混合气体流路50设置压力传感器52。压力传感器52测定在混合气体流路50、燃料排气流路22、循环流路42循环的循环气体(混合气体、燃料排气、排出气体)的压力。

气液分离器38的液体排出口54与连接流路56连接。连接流路56经由用于从液体排出口54将排出流体排出的排水阀58，来将液体排出口54与氧化剂气体供给流路26连通。该排水阀58通过通电来进行开闭。

在连接流路56的排水阀58的下游侧与氧化剂气体供给流路26之间，也可以设置未图示的气液分离器。利用该气液分离器，使排出流体在分离了该排出流体中的液体的状态下流入到氧化剂气体供给流路26。

利用分配流路60来将混合气体流路50与连接流路56的排水阀58的下游侧连通。在分配流路60设置对该分配流路60进行开闭的开闭阀62。

关于燃料电池14，在设置于该燃料电池14的冷却介质流路(未图示)还配设用于供给冷却介质的冷却介质供给流路63a以及用于排出冷却介质的冷却介质排出流路63b。本实施方式中，在冷却介质排出流路63b设置温度传感器64，该温度传感器64测定冷却介质排出流路63b的温度作为燃料电池系统10的温度。

控制部12构成为具备未图示的CPU等的微型计算机，该CPU按照控制程序来执行规定的运算，进行燃料电池系统10的通常运转控制、预热控制等各种处理、控制。另外，控制部12例如基于从压力传感器52、温度传感器64等各种传感器接受的检测信号，向排水阀58、开闭阀62等各结构要素输出开阀指示、闭阀指示等控制信号。

然后，参照图2所示的流程图，说明本实施方式所涉及的燃料电池系统10的控制方法。

首先，在步骤S1中，判定由温度传感器64检测出的燃料电池系统10的温度是否为预热执行温度T1以下。预热执行温度T1只要是能判断为燃料电池14需要预热的温度即可，没有特别限定，但例如能够设为0℃附近的冰点下。

在步骤S1，在判定为燃料电池系统(FC系统)10的温度比预热执行温度T1大的情况下(步骤S1：否)，不进行预热，开始燃料电池系统10的通常运转。

在步骤S1，在判定为燃料电池系统10的温度是预热执行温度T1以下的情况下(步骤S1：是)，在步骤S2，确定执行燃料电池14的预热，进到步骤S3。

在步骤S3，判定由温度传感器64检测出的燃料电池系统10的温度是否为排水阀加热优先温度T2以下。排水阀加热优先温度T2是因大幅低于0℃而判断为排水阀58的冻结程度大的温度，作为其一例，举出设为与预热执行温度T1相比为低温的冰点下(例如-20℃)。也就是说，该判定中，基于燃料电池系统10的温度、即排水阀58的冻结程度，来选择使排水阀58的加热与燃料电池14的加热中哪一方优先(选择工序)。

在步骤S3，在判定为燃料电池系统10的温度是排水阀加热优先温度T2以下的情况下(步骤S3：是)、即判定为排水阀58的冻结程度大的情况下，应使排水阀58的加热优先，进到步骤S4，开始燃料电池系统10的运行。

当开始燃料电池系统10的运行时，从氢罐36向燃料气体供给流路18供给燃料气体，并且在气泵32的旋转作用下来向氧化剂气体供给流路26供给氧化剂气体。向燃料气体供给流路18供给的燃料气体，经由电磁阀48以及引射器46被供给到阳极电极。向氧化剂气体供给流路26供给的氧化剂气体，经由加湿器34被供给到阴极电极。

由此，燃料气体以及氧化剂气体在阳极电极的阳极催化体以及阴极电极的阴极催化体处的电化学反应(发电反应)中被消耗，来进行发电。此外，从冷却介质供给流路63a向燃料电池14的冷却介质流路供给冷却介质。冷却介质在流通过冷却介质流路之后，向冷却介质排出流路63b排出。

被供给到阴极电极并且被消耗了一部分氧的氧化剂气体，作为氧化剂排气向氧化剂排气流路30排出。该氧化剂排气例如在加湿器34中将向阴极电极新供给的氧化剂气体加湿之后，被排出到燃料电池系统10的外部。

在阳极电极处未被消耗的燃料气体的未消耗部分，作为燃料排气来向燃料排气流路22排出之后，被导入到气液分离器38。由此，燃料排气被分离成作为气体成份的排出气体与作为液体成份的排出流体。这时，排水阀58为关闭状态，因此排出流体存留在排水阀58的上游侧。

如上所述，从电磁阀48向引射器46的上游侧喷射燃料气体，由此在循环流路42产生负压。因此，排出气体经由循环流路42被吸引到引射器46，与向燃料气体供给流路18供给的燃料气体混合。由此，向引射器46的下游侧的混合气体流路50排出混合气体。

也就是说，未被发电反应消耗而作为燃料排气从阳极电极排出的未消耗部分被分离出液体的水而成为排出气体之后，与新供给到燃料气体供给流路18的燃料气体混合，由此作为混合气体再次被供给到阳极电极。

另外，燃料排气因发电反应的反应热而被加热，由此成为与向燃料气体供给流路18新供给的燃料气体相比为高温。从而，燃料排气经由气液分离器38而获得的排出气体、包含该排出气体的混合气体也与燃料排气同样为高温。

然后，在步骤S5中，对开闭阀62和排水阀58双方进行开阀指示。该情况下，如上所述，判定为排水阀58的冻结程度大，因此即使对排水阀58进行了开阀指示而排水阀58仍然没有打开的可能性高。另一方面，当开闭阀62基于开阀指示而打开时，经由分配流路60来使混合气体流路50与连接流路56的排水阀58的下游侧连通。其结果是，混合气体流路50内的混合气体被分配到连接流路56的排水阀58的下游侧。连接流路56的排水阀58的下游侧与氧化剂气体供给流路26连通，因此混合气体包含的燃料气体与氧化剂气体一并被供给到阴极电极。由此，在阴极催化剂处发生发热反应。通过该发热反应和上述的发电反应，迅速地对燃料电池14进行加热。

另外，如上所述被加热了的混合气体供给到连接流路56的排水阀58的附近，因此利用该混合气体的热对排水阀58进行加热。还有，对排水阀58进行开阀指示，由此通过通电产生发热。从而，能够优先加热排水阀58。此外，也能利用流入到气液分离器38的燃料排气的热对排水阀58进行加热。

如上所述，在通过对排水阀58进行加热来解除冻结并且打开该排水阀58的情况下，或者基于上述的开阀指示而使排水阀58打开的情况下，排出流体向连接流路56的排水阀58的下游侧流通。该排出流体中也包含未消耗部分。特别是，紧跟开始燃料电池系统10的运行之后，由于燃料排气包含的液体比较少，因此未消耗部分容易作为排出流体从液体排出口54排出。

从而，排水阀58打开，由此排出流体包含的未消耗部分经由连接流路56流入到氧化剂气体供给流路26。由此，除上述的混合气体包含的燃料气体以外，排出流体包含的未消耗部分也被供给到阴极电极。

另一方面，在步骤S3，在判定为燃料电池系统10的温度比排水阀加热优先温度T2大的情况下(步骤S3：否)、即判定为排水阀58的冻结程度小的情况下，应选择优先加热燃料电池14，进到步骤S6，与上述同样地，开始燃料电池系统10的运行。

然后，在步骤S7中，仅对开闭阀62进行开阀指示。由此，能够仅使与从液体排出口54排出的排出流体相比水的含量少而燃料气体的浓度大的混合气体，经由分配流路60、连接流路56以及氧化剂气体供给流路26供给到阴极电极。因此，与使排水阀58一并打开的情况相比，能够使阴极催化剂处的发热反应有效率地发生。另外，与排水阀58打开的情况相比，能够提高循环气体的压力，有效率地向阳极电极供给燃料气体，并能与之相应地促进发电反应。其结果是，能够优先加热燃料电池14。

然后，在步骤S8中，判定由温度传感器64检测出的燃料电池系统10的温度是否为排水阀解冻温度T3以上。排水阀解冻温度T3是判断为排水阀58没有冻结的温度。也就是说，在步骤S8，判定排水阀58是否达到解冻的温度。

在步骤S8，在判定为燃料电池系统10的温度比排水阀解冻温度T3小的情况下(步骤S8：否)，重复执行步骤S8的处理，等待燃料电池系统10的温度成为排水阀解冻温度T3以上。

在步骤S8，在判定为燃料电池系统10的温度为排水阀解冻温度T3以上的情况下(步骤S8：是)，进到步骤S9，也对排水阀58进行开阀指示。在基于该开阀指示而排水阀58打开的情况下，除混合气体以外，还使排出流体包含的未消耗部分供给到阴极电极。

在步骤S5或者步骤S9，对排水阀58进行开阀指示之后，在步骤S10中，判定实际上排水阀58是否打开。该判定中，在尽管进行了开阀指示但是排水阀58仍关闭的情况下，判定为排水阀58冻结。另一方面，在根据开阀指示而排水阀58打开的情况下，判定为排水阀58没有冻结。也就是说，判定排水阀58是否冻结(冻结判定工序)。

具体来讲，求出由压力传感器52检测出的循环气体的压力在对排水阀58进行开阀指示的前后所下降的大小(压力下降量ΔP)，判定该压力下降量ΔP是否为基准值Pr以上。例如预先测定排水阀58为关闭的状态的循环气体的压力、排水阀58为打开的状态的循环气体的压力，基准值Pr能够设定为这两者的压力的差。

在步骤S10，在判定为压力下降量ΔP比基准值Pr小，换言之，判定为排水阀58冻结的情况下(步骤S10：否)，在步骤S11中，确定排水阀58冻结之后，在步骤S12中，继续对排水阀58以及开闭阀62的开阀指示。重复执行这些步骤S10～步骤S12的处理，等待压力下降量ΔP成为基准值Pr以上。

在步骤S10，在判定为压力下降量ΔP为基准值Pr以上，换言之，判定为排水阀58没有冻结的情况下(步骤S10：是)，在步骤S13中，确定排水阀58没有冻结之后，在步骤S14中，对开闭阀62进行闭阀指示。另一方面，继续对排水阀58的开阀指示。

由此，停止向连接流路56的排水阀58的下游侧分配混合气体，由此能够经由连接流路56向氧化剂气体供给流路26仅供给排出流体。该情况下，燃料气体的混合浓度高的混合气体不被分配到阴极电极侧而被供给到阳极电极，因此燃料气体因发电反应而被消耗的比率变大，能够将发电效率保持得高。

然后，在步骤S15中，判定由温度传感器64检测出的燃料电池系统10的温度是否为预热完成温度T4以上。预热完成温度T4是判断为燃料电池14的预热完成的温度，例如能够设为60℃。

在步骤S15，在判定为燃料电池系统10的温度比预热完成温度T4小的情况下(步骤S15：否)，重复执行步骤S15的处理，等待燃料电池系统10的温度成为预热完成温度T4以上。

在步骤S15，在判定为燃料电池系统10的温度为预热完成温度T4以上的情况下(步骤S15：是)，进到步骤S16，在确定预热完成之后，在步骤S17中，对排水阀58进行闭阀指示。基于该闭阀指示使排水阀58关闭，由此停止对阴极电极供给排出流体。

然后，在步骤S18中，开始燃料电池系统10的通常运转。在该步骤S18的处理之后，本实施方式所涉及的流程图结束。

根据以上，本实施方式所涉及的燃料电池系统10以及其控制方法中，在燃料电池14的预热开始时排水阀58没有冻结的情况下使排水阀58打开，经由连接流路56使排出流体包含的未消耗部分流入到氧化剂气体供给流路26。由此，排出流体中包含的未消耗部分与氧化剂气体一并供给到阴极电极，能够在阴极催化体处发生发热反应。

从而，除燃料电池14的发电反应的热以外，利用在阴极催化体处的发热反应的热也能够对燃料电池14进行加热，因此能够迅速地预热燃料电池14。另外，由于能够有效地利用通常向大气等放出的排出流体中包含的未消耗部分，因此能够使向燃料电池系统10供给的燃料气体的利用效率提高。该情况下，也能够不需要用于对排出流体中包含的未消耗部分进行稀释的设备等。

另一方面，在燃料电池14的预热开始时排水阀58冻结的情况下，使开闭阀62打开，经由分配流路60使混合气体在连接流路56的排水阀58的下游侧流通。由此，能够代替排出流体而使混合气体中包含的燃料气体与氧化剂气体一并向阴极电极供给，能够在阴极催化体处发生发热反应。另外，如上所述加热了的混合气体被供给到连接流路56的排水阀58的附近，由此能够利用该混合气体的热对排水阀58进行加热。此外，也能够利用流入到气液分离器38的燃料排气的热对排水阀58进行加热。

从而，即使在因排水阀58冻结而排出流体包含的未消耗部分无法供给到阴极电极的情况下，也能够有效地解除排水阀58的冻结，并且能够对燃料电池14进行迅速的预热。

如上所述，在燃料气体供给流路18与循环流路42的连接部44设置引射器46，经由电磁阀48来向该引射器46供给燃料气体。另外，分配流路60将比燃料气体供给流路18的引射器46靠下游侧的混合气体流路50与连接流路56的排水阀58的下游侧连通。

该情况下，当打开开闭阀62时，引射器46的下游侧的混合气体经由分配流路60向连接流路56的排水阀58的下游侧流通，由此在引射器46的上游侧设置的电磁阀48使向该引射器46喷射的燃料气体的流量增大。由此，由引射器46产生的对排出气体的吸引力也增大，因此即使不使用泵等也能够提高循环气体的循环效率。其结果是，能够以简单的结构促进发电反应，能够迅速地进行燃料电池14的预热。

如上所述，在冻结判定工序之前，基于燃料电池系统10的温度的检测结果进行如下选择工序：选择使排水阀58的加热与燃料电池14的加热中哪一方优先。该情况下，根据燃料电池系统10的温度，换言之，根据排水阀58的冻结程度，来在适当的定时对燃料电池14以及排水阀58进行加热，因此能够进一步迅速并且顺畅地使燃料电池系统10启动。

如上所述，在冻结判定工序中，基于对排水阀58进行开阀指示前后的压力传感器52的检测结果，判定排水阀58是否打开。这样，基于压力传感器52的检测结果，能够容易并且高精度地判定排水阀58实际上是否打开。

本发明不特别限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。

例如，在上述的实施方式所涉及的燃料电池系统10中，利用分配流路60将混合气体流路50与连接流路56的排水阀58的下游侧连通，使开闭阀62打开，由此将混合气体分配到连接流路56的排水阀58的下游侧。但也可以是，分配流路60将循环流路42与连接流路56的排水阀58的下游侧连通。该情况下，使开闭阀62打开，由此使排出气体分配到连接流路56的排水阀58的下游侧。这样，使没有与燃料气体混合的部分、与混合气体相比为高温的排出气体流入到排水阀58的周边，由此能够进一步良好地加热排水阀58。

上述的实施方式中，在冷却介质排出流路63b设置温度传感器64，该温度传感器64测定冷却介质排出流路63b的温度作为燃料电池系统10的温度。但是，只要能够测定燃料电池系统10的温度，设置温度传感器64的部位没有特别限定。同样地，压力传感器52的设置部位也不限定于混合气体流路50，只要设置为能够检测混合气体的压力即可。

上述的实施方式中，在连接部44设置引射器46，但不特别限定于此。例如也可以是，代替设置引射器46，而在循环流路42设置未图示的泵等来使循环气体循环。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其经由燃料气体供给流路向燃料电池的阳极电极供给燃料气体并且经由氧化剂气体供给流路向所述燃料电池的阴极电极供给氧化剂气体来进行发电，所述燃料电池系统具备：

燃料排气流路，其使从所述阳极电极排出的燃料排气流通；

气液分离器，所述燃料排气经由所述燃料排气流路流入该气液分离器，该气液分离器对该燃料排气进行气体与液体的分离；

循环流路，其将所述气液分离器的气体排出口与所述燃料气体供给流路连通；

连接流路，其经由排水阀来将所述气液分离器的液体排出口与所述氧化剂气体供给流路连通；

分配流路，其将所述燃料气体供给流路的比与所述循环流路的连接部靠下游侧与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通，或者将所述循环流路与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通；

开闭阀，其能够对所述分配流路进行开闭；

温度传感器，其能够检测所述燃料电池系统的温度；以及

控制部，其在所述燃料电池的预热开始时所述温度传感器的检测结果为预先设定的排水阀加热优先温度以下的情况下，对所述开闭阀以及所述排水阀双方进行开阀指示，

所述排水阀通过通电来进行开闭，

所述控制部在所述预热开始时所述温度传感器的检测结果比所述排水阀加热优先温度大的情况下，仅对所述开闭阀进行开阀指示，在检测到所述温度传感器的检测结果成为预先设定的排水阀解冻温度以上后，对所述排水阀进行开阀指示。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述连接部设置引射器，该引射器将向所述燃料气体供给流路供给的所述燃料气体与从所述气体排出口向所述循环流路排出的排出气体混合，

经由电磁阀向所述引射器供给所述燃料气体，

所述分配流路将所述燃料气体供给流路的比所述引射器靠下游侧与所述连接流路的所述排水阀的下游侧连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

还具备压力传感器，该压力传感器检测在所述燃料气体供给流路的比所述连接部靠下游侧、所述燃料排气流路、所述循环流路循环的气体的压力，

所述控制部基于所述压力传感器的检测结果来判定所述排水阀是否打开。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在对所述排水阀以及所述开闭阀各自进行开阀指示之后判定为所述排水阀打开的情况下，对所述开闭阀进行闭阀指示。

5.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统经由燃料气体供给流路向燃料电池的阳极电极供给燃料气体并且经由氧化剂气体供给流路向所述燃料电池的阴极电极供给氧化剂气体来进行发电，

所述燃料电池系统的控制方法包括冻结判定工序，判定排水阀是否冻结，该排水阀用于从对所述阳极电极排出的燃料排气进行气体与液体的分离的气液分离器的液体排出口排出包含所述液体的排出流体，

在所述冻结判定工序中判定为所述排水阀没有冻结的情况下，使所述排水阀维持在打开状态，使所述排出流体包含的所述燃料气体的未消耗部分与所述氧化剂气体一并供给到所述阴极电极，

在所述冻结判定工序中判定为所述排水阀冻结的情况下，使分配流路的开闭阀维持在打开状态，该分配流路将被供给到所述燃料气体供给流路的所述燃料气体与从所述气液分离器的气体排出口排出的排出气体的混合气体、或者所述排出气体分配到经由所述排水阀将所述液体排出口与所述氧化剂气体供给流路连通的连接流路的所述排水阀的下游侧。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，

还包括选择工序，在所述冻结判定工序之前，基于所述燃料电池系统的温度的检测结果，选择使所述排水阀的加热与所述燃料电池的加热中哪一方优先。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，

所述开闭阀通过通电来进行开闭，

在所述选择工序中选择使所述排水阀的加热优先的情况下，对所述开闭阀和所述排水阀双方进行开阀指示，

在选择使所述燃料电池的加热优先的情况下，仅对所述开闭阀进行开阀指示，在所述燃料电池系统的温度达到所述排水阀的冻结解除的温度后对所述排水阀进行开阀指示。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，

在对所述排水阀以及所述开闭阀各自进行了开阀指示的状态下进行所述冻结判定工序，在判定为所述排水阀没有冻结的情况下对所述开闭阀进行闭阀指示。

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