具体实施方式

A.第一实施方式

图1是作为第一实施方式的燃料电池系统10的概略结构图。燃料电池系统10具备燃料电池100、DC/DC转换器200、电压传感器210、电流传感器220、二次电池230、二次电池转换器240、负载装置250、DC/AC变换器260、运转开关270、燃料气体供排部300、氧化气体供排部400、制冷剂循环部500和控制部600。在燃料电池系统10中，构成为燃料电池100和二次电池230能够分别单独地对负载装置250供给电力，或者能够从燃料电池100和二次电池230这双方同时地对负载装置250供给电力。

燃料电池100与负载装置250经由DC/DC转换器及布线700连接。DC/DC转换器200与二次电池转换器240相对于布线700并联连接。

燃料电池100是从外部接受作为燃料气体的氢气和作为氧化气体的氧气的供给而产生直流电力的发电装置。燃料电池100具有使作为发电的单位模块的多个燃料电池单元110层叠而成的堆叠构造。在燃料电池单元110中，将具有质子传导性的电解质膜夹在中间而配置有阳极和阴极。在本实施方式中，燃料电池100是固体高分子型燃料电池。

燃料电池100还具备多个单元电压传感器120。单元电压传感器120经由配置于其两端的绝缘套环而支承于燃料电池组。在本实施方式中，单元电压传感器120在燃料电池100中相对于一对燃料电池单元110而设置，检测根据被测定的电压得到的、一个燃料电池单元110量的电压。另外，在图1中，图示了一个单元电压传感器。

DC/DC转换器200具有接受控制部600的控制信号来变更燃料电池100的输出状态的功能。DC/DC转换器200从燃料电池100接收规定电压的电力，通过DC/DC转换器200中的开关控制，输出将电流及电压变换后的电力。具体而言，DC/DC转换器200在将燃料电池100发电产生的电力向负载装置250供给时，升压至能够在负载中利用的电压。

电压传感器210取得燃料电池100整体的输出电压。电压传感器210将表示所取得的输出电压的测定值的信号输出到控制部600。电流传感器220取得燃料电池100的输出电流。

二次电池转换器240具有接受控制部600的控制信号来控制二次电池230的充电及放电的功能。二次电池转换器240从与燃料电池100连接的DC/DC转换器200接受规定电压的电力，将通过开关控制而将电流及电压变换后的电力输出到二次电池230。具体而言，二次电池转换器240在将二次电池230发电产生的电力向负载装置250供给时，将该电力的电压升压为能够在负载中利用的电压而供给到负载装置250。其结果为，二次电池转换器240通过在控制部600的控制下设定与燃料电池100连接的DC/DC转换器200的输出侧电压，从而经由DC/DC转换器200控制燃料电池100的输出电压。

二次电池转换器240从二次电池230接收规定电压的电力，将通过开关控制而将电流及电压变换后的电力输出到与负载装置250连接的DC/AC变换器260。具体而言，二次电池转换器240在将从DC/DC转换器200接收到的电力向二次电池230供给时，将该电力的电压升压为能够在二次电池230中充电的电压而供给到二次电池230。其结果为，二次电池转换器240通过在控制部600的控制下设定二次电池230侧的目标电压，来调整二次电池230的蓄电电力。另外，二次电池转换器240在二次电池230中不需要进行充放电的情况下，切断二次电池230与布线700的连接。

负载装置250通过从燃料电池100及二次电池230供给的电力而工作。在本实施方式中，所谓负载装置250，意味着驱动用电动机、各种辅助设备类等。

DC/AC变换器260将从燃料电池及二次电池230经由布线700供给的直流电力变换为三相交流电力。DC/AC变换器260与负载装置250电连接，将三相交流电力供给到负载装置250。

运转开关270对控制部600指示燃料电池系统10的启动和停止。在本实施方式中，通过基于用户的操作来操作运转开关270。通过由用户将运转开关270置为接通，燃料电池系统10从控制部600接收启动请求，并将氢气供给到燃料电池100内，开始发电。

燃料气体供排部300具备燃料气体供给系统310、燃料气体循环系统320、燃料气体排出系统330。燃料气体供给系统310向燃料电池100供给氢气。燃料气体供给系统310具备燃料气体罐311、燃料气体供给路312、开闭阀313、减压阀314、喷射器315。燃料气体罐311贮存高压的氢气。燃料气体供给路312将燃料气体罐311内的氢气供给到燃料电池100。开闭阀313在开阀状态下使燃料气体罐311的氢气向下游流通。减压阀314通过控制部600的控制来调整比喷射器315靠上游侧的氢气的压力。喷射器315是根据由控制部600所设定的驱动周期或开阀时间进行电磁驱动的开闭阀。喷射器315调整向燃料电池100供给的氢气的供给量。

燃料气体循环系统320使从燃料电池100排出的阳极废气向燃料气体供给路312循环。燃料气体循环系统320具备燃料气体循环路321、气液分离器322、循环泵323。燃料气体循环路321与燃料电池100和燃料气体供给路312连接。燃料气体循环路321由供朝向燃料气体供给路312的阳极废气流通的配管构成。气液分离器322从混有水的阳极废气中分离液态的水。气液分离器322设置于燃料气体循环路321。循环泵323通过使未图示的电动机驱动而使燃料气体循环路321的阳极废气向燃料气体供给路312循环。

燃料气体排出系统330将阳极废气和由燃料电池100的发电产生的水向大气中排出。燃料气体排出系统330具有排气排水路331和排气排水阀332。排气排水路331是将排出水的气液分离器322的排出口与后述的氧化气体排出路422连通的配管。排气排水阀332对排气排水路331进行开闭。排气排水阀332配置于排气排水路331。排气排水阀332通过由控制部600在预先规定的定时接受指示而开阀。由此，排气排水阀332成为打开状态，阳极废气所含的作为杂质气体的氮气与水一起经由排气排水路331及氧化气体排出路422排出到外部。作为预先规定的定时，例如是气液分离器322的储水量达到预先规定的液态水量以上的定时。

氧化气体供排部400进行氧气向燃料电池100的供给及阴极废气从燃料电池100的排出。氧化气体供排部400具备氧化气体供给系统410和氧化气体排出系统420。氧化气体供给系统410向燃料电池100供给氧气。氧化气体供给系统410具备氧化气体供给路411、空气滤清器412、压缩机413、分流阀414。

氧化气体供给路411将氧气供给到燃料电池100。氧化气体供给路411是配置于燃料电池100的上游侧，并使外部与燃料电池100的阴极侧连通的配管。空气滤清器412除去向燃料电池100供给的氧气中的异物。空气滤清器412在氧化气体供给路411中设置于比压缩机413靠上游侧。压缩机413根据来自控制部600的指示，将压缩后的空气向燃料电池100的阴极侧喷出。压缩机413设置于比燃料电池100靠上游侧。压缩机413由根据来自控制部600的指示进行动作的未图示的电动机驱动。分流阀414能够允许或停止氧气向燃料电池100的供给。分流阀414通过调整开度，来调整从氧化气体供给路411朝向燃料电池100的氧化气体的流量、和在从氧化气体供给路411分支且不经由后述的燃料电池100的旁通路421中流动的氧化气体的流量。在旁通路421中流通的氧气经由后述的氧化气体排出路422排出到大气中。

氧化气体排出系统420排出氧化气体。氧化气体排出系统420具备旁通路421、氧化气体排出路422、调压阀423。氧化气体排出路422将包含从燃料电池100排出的氧气的阴极废气、流过旁通路421的氧气排出到大气中。调压阀423通过调整开度来调整燃料电池100的阴极侧的流路的背压。调压阀423在氧化气体排出路422中设置于比与旁通路421的连接部位靠上游侧处。

制冷剂循环部500将用于冷却因发电而发热的燃料电池100的制冷剂供给到燃料电池100。通过利用制冷剂循环部500进行循环的制冷剂，将燃料电池100的温度保持在预先规定的范围。制冷剂循环部500具备制冷剂用配管501、散热器502、制冷剂用泵503、制冷剂用温度传感器504。制冷剂用配管501是用于将用来冷却燃料电池100的制冷剂循环的配管。散热器502具有吸入外部空气的风扇505，通过在制冷剂用配管501的制冷剂与外部空气之间进行热交换来冷却制冷剂。制冷剂用泵503根据控制部600的指示进行驱动，将制冷剂送入到燃料电池100。制冷剂用温度传感器504检测在燃料电池100中循环后从燃料电池100排出的制冷剂的温度。在本实施方式中，制冷剂用温度传感器504作为取得燃料电池100的温度的温度取得部发挥功能。在本说明书中，所谓燃料电池100的温度，是指由制冷剂用温度传感器504所取得的温度。另外，作为温度取得部，例如也可以使用直接检测燃料电池100的内部温度的传感器。

控制部600由具备执行逻辑运算的CPU、ROM、RAM等的所谓微型计算机构成。控制部600从燃料电池系统10所具备的各种传感器取得检测信号，来进行与燃料电池系统10相关的各种控制。例如，控制部600向各部输出驱动信号，从而从燃料电池100和二次电池230中的至少一方获得与负载所要求的电力相应的电力。具体而言，在从燃料电池100获得电力的情况下，控制来自燃料气体供排部300、氧化气体供排部400的反应气体供给量，从而从燃料电池100获得所期望的电力。另外，控制部600控制DC/DC转换器200、二次电池转换器240，从而从燃料电池100和二次电池230中的至少一方对负载装置250供给所期望的电力。另外，控制部600还具备计时器，能够测量输入各种信号后或执行各种处理后的经过时间。

另外，控制部600在燃料电池系统10在低温条件下启动时，一边进行预热运转，一边判定燃料电池100内的反应气体的流路是否冻结，并基于该结果来判定燃料电池系统10是否能够运转。这是因为，如果在反应气体流路冻结的状态下进行燃料电池100的发电，则反应气体在燃料电池100内无法充分地流通，因此有可能对发电产生障碍。

图2是表示由控制部600执行的能否运转的判定处理的工序图。能否运转的判定处理通过燃料电池系统10接收启动请求而执行。在本实施方式中，燃料电池系统10通过运转开关270被接通，由此从控制部600接收启动请求。当燃料电池系统10接收到启动请求时，开始利用二次电池230的燃料电池100的运转。

在步骤S100中，由控制部600判断燃料电池100的温度是否为预先规定的温度以下。在本实施方式中，预先规定的温度为0度。在大气压更低的高地等使用燃料电池系统10的情况下，能够根据使用环境的大气压来变更预先规定的温度。使用环境中的大气压可以通过在燃料电池系统10设置大气压传感器而直接进行检测，或者也可以基于燃料电池系统10的位置信息，根据燃料电池系统10所处的场所的海拔进行推定。

当在步骤S100中判定为燃料电池100的温度高于0℃时，处理转移到步骤S110。当判定为燃料电池100的温度为0度以下时，处理转移到步骤S200。

在步骤S110中，由控制部600执行燃料电池系统10的通常运转，然后结束处理。另外，本实施方式中的燃料电池系统10的通常运转是指如下运转状态：不执行预热运转而通过燃料电池100的发电来进行燃料电池系统10的运转。

在步骤S200中，开始预热运转。所谓预热运转，是指如下运转状态：主动地使燃料电池100升温，从而使燃料电池100的温度达到作为稳定状态而预先规定的温度范围。在燃料电池系统10启动时的燃料电池100的温度为0度以下的情况下，首先，进行预热运转以使燃料电池100的温度超过预先规定的温度，即0度。在通过预热运转使燃料电池100的温度超过0度后，进行预热运转，从而使燃料电池100的温度达到作为稳定状态而预先规定的温度范围。在燃料电池100的温度超过0度后，与在燃料电池100为0度以下时执行的预热运转相比，能够从燃料电池100输出更多的电力。

作为预热运转，例如可以采用如下方法：与判定为燃料电池100未冻结的燃料电池系统10的通常运转时相比，通过控制向燃料电池100供给的氧气的流量，由此增加燃料电池100的发电损失，通过自身发热来使燃料电池100升温。预热运转由控制部600执行。

在步骤S300中，由控制部600进行发电电荷量是否为预先规定的阈值以上的判定。燃料电池100的发电电荷量由控制部600使用燃料电池的电流传感器220的输出电流进行计算。燃料电池100的发电电荷量可以通过对燃料电池系统10接收启动请求并启动后的时间与燃料电池100的输出电流之积进行积分来求出。在本实施方式中，使用电荷量B作为步骤S300中的判断所使用的预先规定的阈值。电荷量B是在产生能够消除燃料电池100内的冻结的程度的热量之前从燃料电池100获得的发电电荷量。

图3是表示在燃料电池100的预热运转开始后燃料电池100的发电电荷量变化的状况的说明图。横轴表示时间，纵轴表示发电电荷量。将燃料电池系统10启动时的时间表示为时刻t1。控制部判定从作为发电开始时间的时刻t1起到经过预先规定的经过时间T1的时刻t2，发电电荷量是否超过电荷量B。

在氢气在燃料电池100内流通的情况下，燃料电池100的发电电荷量随着时间的经过而增加(参照图3的L1)。与此相对，在燃料电池100的内部发生冻结，因此在不向燃料电池100供给氢气的情况下，在发电电荷量达到电荷量A之前，与氢气流通的情况相同地，发电电荷量增加，但之后，发电电荷量的增加的程度被较大地抑制(参照图3的L2)。所谓电荷量A，表示在燃料电池系统10启动时能够使用残留在燃料电池100的内部的氢气进行发电的电荷量。在L2的情况下，在使用残留在燃料电池100的内部的氢气进行发电后，由于冻结，向阳极供给的氢气的量不足。在该情况下，燃料电池100的输出电流被控制部600限制，发电电荷量的增加程度被抑制。对于燃料电池100的输出电流的限制将在后面叙述。

在发电电荷量在经过时间T1以内达到电荷量B以上时，转移到步骤S400(参照图3的L1)。在不是这样的情况下，转移到步骤S600(参照图3的L2)。

在步骤S400中，进行在燃料电池100的温度因预热运转而变得比任意温度高之前，一个以上的燃料电池单元110的电压值是否成为预先规定的电压值P以下的判定。在燃料电池100的温度因预热运转而变得比任意温度高之前，一个以上的燃料电池单元110的电压值成为预先规定的电压值P以下的情况下，在该时间点处理转移到步骤S500。在除此之外的情况下，预热运转结束，由控制部600结束处理。

在预热运转时，如上所述，将燃料电池100的目标电压及目标电流设定成使燃料电池100的自身发热变多。并且，如果在进行预热运转时，在燃料电池100内的任一个燃料电池单元110内氢气的流路冻结，则在该燃料电池单元110中，供给到阳极的氢气不足，发电反应被抑制。即使在这样的情况下，也由于在其他燃料电池单元110中继续发电反应，因此存在产生氢气不足的该燃料电池单元110在燃料电池100中作为电阻发挥作用，产生负电压的情况。如果在这样的状态下继续进行预热运转，则燃料电池100有可能损伤。

因此，在本实施方式中，在个别的燃料电池单元110的电压值成为预先规定的值以下的情况下，由控制部600限制输出电流，抑制燃料电池100的发电量。在本实施方式中，在个别的燃料电池单元110的电压值成为负电压的情况下，由控制部600限制输出电流。输出电流被限制为不能供给用于燃料电池系统10的运转的电力的程度的电流值。输出电流的限制值根据由电池电压传感器120检测出的电压值决定。由此，燃料电池100的损伤被抑制。

在此，对即使在判定为发电电荷量因进行预热运转而大于电荷量B之后，也产生负电压的情况进行说明(参照图2的步骤S400)。例如，是由于在步骤S300后外部气温下降，从而处于燃料电池100的内部的燃料电池单元110的氢气的流路冻结，并产生负电压的情况。另外，考虑到如下情况：通过进行预热运转而被解冻的生成水移动到氢气的流路内的温度低于0度的部位从而再次冻结，氢气的流路被堵塞，由此产生负电压。

在步骤S500中，在一个以上的燃料电池单元110的电压值在预先规定的时间T2的期间内持续为预先规定的电压值P以下的情况下，处理转移到步骤S600。在经过预先规定的时间T2之前，超过作为预先规定的电压值的电压值P的情况下，有可能消除燃料电池100内的冻结。因此，在这些情况下，处理转移到步骤S400，由此继续预热运转。再次在步骤S400中，重新进行在燃料电池100的温度变得高于任意温度之前，燃料电池单元110的电压值是否变为电压值P以下的判定。如果再次在步骤S400中，在燃料电池100的温度变得高于任意温度之前，一个以上的燃料电池单元110的电压值未成为预先规定的电压值P以下，则处理结束。

在步骤S500的判定结果为是的情况下，认为难以通过预热运转进行燃料电池100的内部的冻结的解冻。由控制部600判断为满足燃料电池系统10的停止条件，在步骤S600中，由控制部600停止燃料电池系统10，处理结束。

根据如上述那样构成的本实施方式的燃料电池系统10，在燃料电池100的温度为预先规定的温度以下时开始预热运转。如果从燃料电池100的发电开始起的发电电荷量在经过时间T1内达到电荷量B以上，则继续预热运转。即使在发电电荷量成为电荷量B以上的情况下，有时也会由于例如外部气温的降低，燃料电池100内的氢气的流路冻结，电压成为预先规定的电压值P以下。在电压在预先规定的时间T2的期间内持续成为预先规定的电压值P以下的情况下，有可能在燃料电池100内产生难以通过预热运转来解冻的冻结。若在该状态下使燃料电池系统10持续预热运转，则会消耗发电产生的电力以上的电力。在这种情况下，由控制部600停止燃料电池系统10的运转。由此，能够避免持续消耗发电产生的电力以上的电力的事态。其结果为，能够保留用于下一次的燃料电池系统10的启动的电力。

B.第二实施方式

图4是表示第二实施方式的由控制部600执行的能否运转的判定处理的工序图。第二实施方式的燃料电池系统10具有与图1所示的燃料电池系统10相同的结构，因此使用相同的符号并省略详细的说明。在图4所示的第二实施方式的工序图中，对与图2共通的工序标注相同的步骤编号并省略详细的说明。在第二实施方式中，与第一实施方式的不同之处在于，由控制部600根据燃料电池100的温度设定预先规定的时间T2。

图5是表示与燃料电池100的温度相应的冻结判定时间的表。在第一实施方式中，步骤S500中的预先规定的时间T2与燃料电池100的温度无关而为恒定。在第二实施方式的步骤S500B中，根据由制冷剂用温度传感器504所取得的燃料电池100的温度，设定预先规定的时间T2。

在燃料电池100的温度是燃料电池100内的冻结有可能解冻的温度的情况下，通过继续预热运转，燃料电池100内的冻结有可能解冻。因此，由控制部600将预先规定的时间T2设定得较长。另一方面，在燃料电池100的温度是冻结解冻的可能性低的温度的情况下，即使继续预热运转，解冻状态也有可能不被消除。因此，使预先规定的时间T2比有可能解冻的情况下的时间短。由此，能够抑制电力的消耗。在本实施方式中，冻结有可能解冻的温度为大于10度的温度，冻结消除的可能性低的温度为10度以下。另外，燃料电池100的冻结有可能解冻的温度根据配置有燃料电池系统10的环境，也可以是大于11度的温度或大于12度的温度等与本实施方式不同的温度。

在图4的步骤S500B中，在燃料电池100的温度为9度的情况下，燃料电池系统10根据控制部600的指示，在10秒的期间内持续预热运转(参照图5)。在10秒的期间内一个以上的燃料电池单元110的电压值未持续成为电压值P以下的情况下，通过持续预热运转，有可能消除冻结。在该情况下，继续预热运转，处理再次转移到步骤S400。

再次在步骤S400中判定为是的情况下，处理再次转移到步骤S500B。再次在步骤S500B中，由制冷剂用温度传感器504所取得的燃料电池100的温度上升到10.5度的情况下，通过继续预热运转，燃料电池100内的冻结有可能解冻。因此，预先规定的时间T2被设定为比上次的10秒长的100秒。然后，在100秒的期间内持续预热运转。另外，由控制部600进行单元电压传感器120测量出的电压值是否持续超过电压值P的判定。

在步骤S500B中，在燃料电池的温度为10度以下的情况下，预先规定的时间T2成为10秒，若大于10度，则成为100秒。另外，预先规定的时间T2也可以在为10度以上的情况下成为100秒，在小于10度的情况下为10秒。

这样，在由制冷剂用温度传感器504测量出的燃料电池100的温度为燃料电池100内的冻结有可能通过继续预热运转而解冻的温度的情况下，能够由控制部600延长预先规定的时间T2。由此，由于继续预热运转，因此燃料电池100内的冻结解冻的可能性变高。

另一方面，在步骤S500B中，在燃料电池100的温度为10度以下的情况下，即使继续预热运转，也有可能难以将燃料电池100内的冻结解冻。在该情况下，进行在不使预先规定的时间T2比10秒长的条件下，一个以上的燃料电池单元110的电压值是否在T2的期间内持续成为电压值P以下的判定。延长预先规定的时间T2而继续预热运转会导致燃料电池系统10的电力的消耗。因此，在燃料电池100的冻结的解冻困难的情况下，通过尽早地停止燃料电池系统10的运转，能够抑制燃料电池系统10的电力的消耗。

C.其他实施方式

C1)在上述实施方式中，燃料电池100是固体高分子型燃料电池。但是，例如燃料电池可以是固体氧化物型燃料电池，也可以使用固体高分子型燃料电池之外的燃料电池。

C2)在上述实施方式中，单元电压传感器120在燃料电池100中相对于一对燃料电池单元110而设置，检测根据被测定的电压得到的一个燃料电池单元110量的电压。但是，例如单元电压传感器也可以检测各燃料电池单元的输出电压。另外，单元电压传感器也可以为一个，并检测有代表性的一部分的燃料电池单元的电压。

C3)在上述实施方式中，在个别的燃料电池单元110的电压值成为预先规定的值以下的情况下，由控制部600限制输出电流，抑制燃料电池100的发电量。在上述实施方式中，所谓个别的燃料电池单元110的电压值，是指根据由相对于一对燃料电池单元110设置的电压传感器120测定的电压得到的一个燃料电池单元110量的电压值。但是，例如个别的燃料电池单元的电压值也可以是指所有燃料电池单元中的任一个燃料电池单元的电压值。另外，也可以是指有代表性的一部分的燃料电池单元中的任一个燃料电池单元的电压值。

C4)在上述实施方式中，在步骤S400中，进行在燃料电池100的温度因预热运转而变得比任意温度高之前，一个以上的燃料电池单元110的电压值是否成为预先规定的电压值P以下的判定。所谓任意温度，是由控制部判断为能够结束预热运转的温度，是燃料电池内的冻结解冻的温度。任意温度可以是15℃，也可以是20℃。另外，例如任意的温度也可以与使燃料电池内的冻结解冻的温度不同，设定为比解冻的温度高5度。另外，例如在步骤S400中，也可以进行在经过足以通过预热运转使燃料电池的温度高于任意温度的时间之前，一个以上的燃料电池单元110的电压值是否为预先规定的电压值P以下的判定。足以使燃料电池的温度高于任意温度的时间可以是30分钟，也可以是1小时。

另外，在上述实施方式中，在步骤S400中，在一个以上的燃料电池单元110的电压值成为预先规定的电压值P以下的时间点，处理转移到步骤S500。但是，例如也可以是，在10％以上的燃料电池单元的电压值成为预先规定的电压值P以下的时间点，处理转移到步骤S500。

C5)在上述实施方式中，在步骤S500中，在一个以上的燃料电池单元110的电压值在预先规定的时间T2的期间内持续为预先规定的电压值P以下的情况下，处理转移到步骤S600。但是，也可以在例如在10％以上的燃料电池单元110的电压值在预先规定的时间T2的期间内持续为预先规定的电压值P以下的情况下，转移到步骤S600。

C6)在上述实施方式中，停止条件包括：在预热运转开始后，发电电荷量为预先规定的阈值以上。但是，例如停止条件也可以不包括发电电荷量是否为预先规定的阈值以上，而包括在预热运转开始后燃料电池的温度为一定温度以上。一定温度可以是任意温度，诸如2度或5度等。

C7)在上述第二实施方式中，预先规定的时间T2在10度以下为10秒，如果高于10度则为100秒。但是，例如预先规定的时间T2也可以在11度以下为20秒，如果高于11度则为50秒。另外，例如也可以在燃料电池的温度从10度起每次上升5度时，预先规定的时间T2每次增加10秒。

本公开并不限于上述实施方式，能够在不脱离本公开的主旨的范围内以各种结构来实现。例如，为了解决上述课题的一部分或全部，或者为了实现上述效果的一部分或全部，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征可以适当地进行替换、组合。此外，如果该技术特征未被作为本说明书中所必需的技术特征而说明，则可以适当地删除。