(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する運転制御部と、
前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う空調機構と、
前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、
前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、
前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう前記酸化剤ガスの流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう前記酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁と、
を備え、
前記運転制御部は、
前記燃料電池が、前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上の動作点で運転している通常運転時において、前記空調機構への暖房要求があった場合に、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求発熱量を満たす動作点の電流値である発熱要求電流値と、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求出力を満たす動作点の電流値である出力要求電流値とを比較し、
前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値以上である場合には、前記電流対電圧特性曲線上の動作点で前記燃料電池を動作させ、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値よりも小さい場合には、前記燃料電池の動作点が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点となるように制御する暖房用運転制御を実行し、
前記運転制御部は、前記暖房用運転制御として、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を、前記発熱要求電流値を実現するための供給量で固定すると共に、前記流量調整弁を調整することにより、前記燃料電池の動作点が前記要求発熱量と前記要求出力とを満たす動作点である要求動作点となるように制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の電流値を測定する電流測定部を備え、
前記運転制御部は、前記暖房用運転制御の開始時において、前記酸化剤ガス供給部により供給される前記酸化剤ガスのうち、前記要求動作点の電流値を実現するための前記酸化剤ガスの流量よりも少ない流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するように前記流量調整弁を調整し、その後、前記電流測定部により測定される前記燃料電池の電流値が、前記要求動作点の電流値よりも大きい場合には前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの流量を減らし、前記要求動作点の電流値よりも小さい場合には前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの流量を増やすように、前記流量調整弁を制御する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
前記空調機構による暖房対象となる空間の温度である暖房空間温度を取得する暖房空間温度取得部と、
を備え、
前記運転制御部は、
前記燃料電池の始動時において、前記暖房用運転制御と比べて燃料電池の発電効率がより低くなるように制御する始動時暖機運転制御を実行し、
前記始動時暖機運転制御を実行中に前記空調機構への暖房要求があると、前記燃料電池の温度が予め定められた暖機終了温度に達した後であって、かつ、前記暖房空間温度が前記暖房要求を満たす温度に達した場合に、前記始動時暖機運転制御を終了させる第１の暖房運転モードを有し、
前記始動時暖機運転制御が終了した後において、前記発熱要求電流値と前記出力要求電流値とを比較し、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値以上である場合には、前記電流対電圧特性曲線上の動作点で前記燃料電池を動作させ、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値よりも小さい場合には、前記暖房用運転制御を実行する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
ユーザインタフェース部を備え、
前記運転制御部は、前記第１の暖房運転モードに加えて、前記始動時暖機運転制御を実行中に前記空調機構への暖房要求があると、前記燃料電池の温度が前記暖機終了温度に達した場合に、前記始動時暖機運転制御を終了させる第２の暖房運転モードを有し、
前記ユーザインタフェース部は、前記第１の暖房運転モード及び前記第２の暖房運転モードのうち、前記運転制御部が実行する暖房運転モードの指定をユーザに許容する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の廃熱の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温始動時における燃料電池の動作安定性を確保するために、通常運転時よりも低効率で燃料電池を発電させる運転（以下、「低効率運転」と呼ぶ）を行うことにより燃料電池の熱損失（廃熱）を増加させ、廃熱により燃料電池を昇温させる技術が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通常運転時に低効率運転を実行して低効率運転により生じる熱を暖房に利用する場合、暖房用の要求熱量を得るために発電効率を低下させることによって要求出力（電力）を得ることができず、出力応答性が低下するおそれがある。また、これとは逆に、要求出力を満たすために要求発熱量を得ることができず、発熱応答性が低下するおそれがある。加えて、反応ガスとして水素ガス及び空気を用いるシステムでは、低効率運転によりカソードに水素ガスが発生するため、かかる水素ガスを空気で希釈する必要がある。通常運転時に希釈用のエア量とアノードに必要なエア量とを逐次計算し、それぞれのエア量の供給制御を行った場合、エア量調整の処理が複雑となり、出力応答性及び発熱応答性の悪化を招くおそれがある。【０００４】
本発明は、燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う燃料電池システムにおいて、通常運転時に暖房を行う際の出力応答性及び発熱応答性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[形態１]燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する運転制御部と、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う空調機構と、前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう前記酸化剤ガスの流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう前記酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁と、を備え、前記運転制御部は、前記燃料電池が、前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上の動作点で運転している通常運転時において、前記空調機構への暖房要求があった場合に、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求発熱量を満たす動作点の電流値である発熱要求電流値と、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求出力を満たす動作点の電流値である出力要求電流値とを比較し、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値以上である場合には、前記電流対電圧特性曲線上の動作点で前記燃料電池を動作させ、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値よりも小さい場合には、前記燃料電池の動作点が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点となるように制御する暖房用運転制御を実行し、前記運転制御部は、前記暖房用運転制御として、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を、前記発熱要求電流値を実現するための供給量で固定すると共に、前記流量調整弁を調整することにより、前記燃料電池の動作点が前記要求発熱量と前記要求出力とを満たす動作点である要求動作点となるように制御する、燃料電池システム。
形態１の燃料電池システムでは、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合には、燃料電池の動作点が電流対電圧特性曲線上となるように制御するので、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合に、電流対電圧特性曲線よりも発電効率の低い（すなわち、発熱効率の高い）動作点となるように燃料電池の動作点を制御する構成に比べて、出力を高め、かつ、処理を簡素にすることができる。したがって、出力応答性を向上させることができる。加えて、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合には、電流対電圧特性曲線上の動作点における燃料電池の廃熱量は要求発熱量よりも大きくなるので、形態１の構成とすることで、暖房要求を満たすだけの熱量を燃料電池の廃熱から得ることができるため、発熱応答性も向上させることができる。また、出力要求電流値が発熱要求電流値よりも小さい場合には、燃料電池の動作点が電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い（すなわち、発熱効率の高い）動作点となるように制御するので、暖房要求を満たすだけの熱量を燃料電池の廃熱から得ることができる。加えて、酸化剤ガス供給部による酸化剤ガスの供給量を固定するので、酸化剤ガス供給部の応答性の影響を抑制できる。したがって、酸化剤ガス供給部の応答性が低い場合であっても、出力応答性及び発熱応答性の低下を抑制できる。また、酸化剤ガス供給量の固定量を、発熱要求電流値を実現するための供給量とするので、暖房用運転を行う電流範囲を狭くする要請と、暖房用運転から通常運転に移行する際における酸化剤ガス供給部による酸化剤ガス供給量の上昇量を抑制するという要請とを同時に満たすことができる。
【０００６】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する運転制御部と、前記燃料電池の廃熱を利用して暖房を行う空調機構と、を備え、前記運転制御部は、前記燃料電池が、前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上の動作点で運転している通常運転時において、前記空調機構への暖房要求があった場合に、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求発熱量を満たす動作点の電流値である発熱要求電流値と、前記電流対電圧特性曲線上の動作点であって前記燃料電池に対する要求出力を満たす動作点の電流値である出力要求電流値とを比較し、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値以上である場合には、前記電流対電圧特性曲線上の動作点で前記燃料電池を動作させ、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値よりも小さい場合には、前記燃料電池の動作点が前記燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点となるように制御する暖房用運転制御を実行する、燃料電池システム。【０００７】
適用例１の燃料電池システムでは、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合には、燃料電池の動作点が電流対電圧特性曲線上となるように制御するので、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合に、電流対電圧特性曲線よりも発電効率の低い（すなわち、発熱効率の高い）動作点となるように燃料電池の動作点を制御する構成に比べて、出力を高め、かつ、処理を簡素にすることができる。したがって、出力応答性を向上させることができる。加えて、出力要求電流値が発熱要求電流値以上である場合には、電流対電圧特性曲線上の動作点における燃料電池の廃熱量は要求発熱量よりも大きくなるので、適用例１の構成とすることで、暖房要求を満たすだけの熱量を燃料電池の廃熱から得ることができるため、発熱応答性も向上させることができる。また、出力要求電流値が発熱要求電流値よりも小さい場合には、燃料電池の動作点が電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い（すなわち、発熱効率の高い）動作点となるように制御するので、暖房要求を満たすだけの熱量を燃料電池の廃熱から得ることができる。【０００８】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の発電に利用される酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と前記燃料電池とを連通する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記カソード側オフガス排出路とを接続するバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスのうち、前記酸化剤ガス供給路から前記燃料電池に向かう前記酸化剤ガスの流量と、前記酸化剤ガス供給路から前記バイパス流路に向かう前記酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁と、を備え、前記運転制御部は、前記暖房用運転制御として、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を、前記発熱要求電流値を実現するための供給量で固定すると共に、前記流量調整弁を調整することにより、前記燃料電池の動作点が前記要求発熱量と前記要求出力とを満たす動作点である要求動作点となるように制御する、燃料電池システム。
【０００９】
このような構成により、酸化剤ガス供給部による酸化剤ガスの供給量を固定するので、酸化剤ガス供給部の応答性の影響を抑制できる。したがって、酸化剤ガス供給部の応答性が低い場合であっても、出力応答性及び発熱応答性の低下を抑制できる。また、酸化剤ガス供給量の固定量を、出力要求電流値を実現するための供給量とするので、暖房用運転を行う電流範囲を狭くする要請と、暖房用運転から通常運転に移行する際における酸化剤ガス供給部による酸化剤ガス供給量の上昇量を抑制するという要請とを同時に満たすことができる。【００１０】
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の電流値を測定する電流測定部を備え、前記運転制御部は、前記暖房用運転制御の開始時において、前記酸化剤ガス供給部により供給される前記酸化剤ガスのうち、前記要求動作点の電流値を実現するための前記酸化剤ガスの流量よりも少ない流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するように前記流量調整弁を調整し、その後、前記電流測定部により測定される前記燃料電池の電流値が、前記要求動作点の電流値よりも大きい場合には前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの流量を減らし、前記要求動作点の電流値よりも小さい場合には前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの流量を増やすように、前記流量調整弁を制御する、燃料電池システム。【００１１】
このような構成により、動作点が電流対電圧特性曲線上にないために、暖房用運転において実際に必要とされる酸化剤ガスの流量が要求動作点の電流値を実現するための酸化剤ガスの流量と異なる場合であっても、電流測定部により測定される燃料電池の電流値が要求動作点の電流値と一致させるように酸化剤ガスの流量を増減させることができるので、適切な量の酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。【００１２】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、前記空調機構による暖房対象となる空間の温度である暖房空間温度を取得する暖房空間温度取得部と、を備え、前記運転制御部は、前記燃料電池の始動時において、前記暖房用運転制御と比べて燃料電池の発電効率がより低くなるように制御する始動時暖機運転制御を実行し、前記始動時暖機運転制御を実行中に前記空調機構への暖房要求があると、前記燃料電池の温度が予め定められた暖機終了温度に達した後であって、かつ、前記暖房空間温度が前記暖房要求を満たす温度に達した場合に、前記始動時暖機運転制御を終了させる第１の暖房運転モードを有し、前記始動時暖機運転制御が終了した後において、前記発熱要求電流値と前記出力要求電流値とを比較し、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値以上である場合には、前記電流対電圧特性曲線上の動作点で前記燃料電池を動作させ、前記出力要求電流値が前記発熱要求電流値よりも小さい場合には、前記暖房用運転制御を実行する、燃料電池システム。【００１３】
このような構成により、暖房空間温度が暖房要求を満たす温度となるまで第１の暖房運転モードが実行されるので、より短期間のうちに暖房空間温度を上昇させることができる。また、暖房空間温度が暖房要求を満たす温度となった場合には、燃料電池の動作点が電流対電圧特性曲線上となるように制御する、又は、暖房用運転制御が実行されるので、要求発熱量を供給できると共に要求出力を満たす分の出力を得ることができ、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。【００１４】
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、ユーザインタフェース部を備え、前記運転制御部は、前記第１の暖房運転モードに加えて、前記始動時暖機運転制御を実行中に前記空調機構への暖房要求があると、前記燃料電池の温度が前記暖機終了温度に達した場合に、前記始動時暖機運転制御を終了させる第２の暖房運転モードを有し、前記ユーザインタフェース部は、前記第１の暖房運転モード及び前記第２の暖房運転モードのうち、前記運転制御部が実行する暖房運転モードの指定をユーザに許容する、燃料電池システム。【００１５】
このような構成により、ユーザは、ユーザインタフェース部を利用することにより、始動時暖機運転制御における暖房運転モードとして、第１の暖房運転モード又は第２の暖房運転モードを指定することができる。したがって、例えば、第１の暖房運転モードを指定することにより、燃料電池システムの始動時において短期間のうちに客室内を昇温させることができる。また、例えば、第２の暖房運転モードを指定することにより、燃料電池システムの始動時における燃費の悪化及び出力応答性の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示すＩ−Ｑマップ及びＩ−Ｐマップを模式的に示す説明図。
【図３】Ｉ−Ｑマップ及びＩ−Ｐマップの設定方法を模式的に示す説明図。
【図４】燃料電池システムにおいて実行される暖房制御処理の手順を示すフローチャート。
【図５】要求発熱量と燃料電池スタックの廃熱との関係を示す説明図。
【図６】ステップＳ１４５により決定される暖房用運転目標動作点を示す説明図。
【図７】運転制御部の機能ブロックと暖房暖機運転制御の処理内容とを模式的に示す説明図。
【図８】暖房制御処理を実行中における供給エア量，ＦＣ必要エア量，及びバイパスエア量と、電流値との関係を示す説明図。
【図９】第２実施例の燃料電池システムの始動時における燃料電池スタック温度，客室温度，及び要求発熱量の推移例を模式的に示す説明図。
【図１０】第３実施例の燃料電池システムを搭載した電気車両の概略を示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気車両に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素ガス供給路５１と、アノードオフガス排出路５２と、水素ガスバイパス路５３と、空気供給路５４と、カソードオフガス排出路５５と、空気バイパス路５６と、水素タンク３１と、遮断弁４２と、水素ガス供給弁４３と、パージ弁４６と、循環ポンプ４７と、エアコンプレッサ３２と、調圧弁４５と、バイパス弁４４と、第１冷却媒体循環路Ｒ１と、冷却媒体バイパス流路６９と、温度センサ１６と、ラジエータ３３と、第１電動ファン３４と、第１冷却媒体ポンプ４８と、熱交換機３５と、三方弁９９と、第２冷却媒体循環路Ｒ２と、ヒータコア３６と、第２電動ファン３７と、第２冷却媒体ポンプ４９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、電流計１５と、制御ユニット６０とを備えている。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池であるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を有する単セルが複数積層された構成を有し、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気に含まれる酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００１９】
水素ガス供給路５１は、水素タンク３１と燃料電池スタック１０とを連通し、水素タンク３１から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０に導くための流路である。アノードオフガス排出路５２は、燃料電池スタック１０のアノードからアノードオフガス（余剰水素ガス）を排出するための流路である。水素ガスバイパス路５３は、アノードオフガス排出路５２と水素ガス供給路５１とを連通し、燃料電池スタック１０から排出される水素ガス（反応に用いられなかった水素ガス）を水素ガス供給路５１に戻すための流路である。
【００２０】
空気供給路５４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０とを連通し、エアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気を燃料電池スタック１０に導くための流路である。カソードオフガス排出路５５は、燃料電池スタック１０のカソードからカソードオフガスを排出するための流路である。カソードオフガスには、通常運転時には、燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった余剰空気と、燃料電池スタック１０における電気化学反応により生じた水とが含まれ、低効率運転時には、これら余剰空気及び生成水に加え、低効率運転の際にカソードにおいて下記式１に示す化学反応によって発生する水素（以下、「ポンピング水素」と呼ぶ）が含まれる。
【００２１】
【数１】
0005590120.tif 000002
【００２２】
空気バイパス路５６は、空気供給路５４とカソードオフガス排出路５５とを連通し、エアコンプレッサ３２により供給される空気を、燃料電池スタック１０を介さずにカソードオフガス排出路５５に供給するための流路である。
【００２３】
水素タンク３１は、高圧水素ガスを貯蔵している。遮断弁４２は、水素タンク３１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。水素ガス供給弁４３は、水素ガス供給路５１に配置されており、弁開度を調整することによって燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力および流量を調整する。パージ弁４６は、アノードオフガスを、エアと合流（希釈）して大気へ放出するための弁である。循環ポンプ４７は、水素ガスバイパス路５３内において水素ガスをアノードオフガス排出路５２から水素ガス供給路５１へと流通させるためのポンプである。
【００２４】
エアコンプレッサ３２は、空気供給路５４に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。エアコンプレッサ３２としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。調圧弁４５は、燃料電池スタック１０側の圧力（背圧）を調整するための弁である。バイパス弁４４は、空気バイパス路５６において、空気供給路５４からカソードオフガス排出路５５へと流通する空気量を調整するための弁である。
【００２５】
第１冷却媒体循環路Ｒ１は、冷却媒体としての純水を循環させることにより、燃料電池スタック１０の発電に伴う熱（廃熱）を、ラジエータ３３及び熱交換機３５により放出させるための流路である。第１冷却媒体循環路Ｒ１は、第１冷却媒体流路９１と、第２冷却媒体流路９２と、第３冷却媒体流路９３と、第４冷却媒体流路９４とを備えている。
【００２６】
第１冷却媒体流路９１は、燃料電池スタック１０とラジエータ３３とを連通し、燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体をラジエータ３３に導く。第２冷却媒体流路９２は、ラジエータ３３と熱交換機３５及び冷却媒体バイパス流路６９とを連通し、ラジエータ３３から排出された冷却媒体を熱交換機３５又は冷却媒体バイパス流路６９に導く。第３冷却媒体流路９３は、熱交換機３５及び冷却媒体バイパス流路６９と第１冷却媒体ポンプ４８とを連通する。第４却媒体流路９４は、第１冷却媒体ポンプ４８と燃料電池スタック１０とを連通し、第１冷却媒体ポンプ４８から送り出される冷却媒体を燃料電池スタック１０に供給する。
【００２７】
冷却媒体バイパス流路６９は、第２冷却媒体流路９２と第３冷却媒体流路９３とを連通し、冷却媒体を、熱交換機３５を介さずに第２冷却媒体流路９２から第３冷却媒体流路９３へと流通させる。温度センサ１６は、第１冷却媒体流路９１において燃料電池スタック１０近傍に配置されている。本実施例では、温度センサ１６により検知した温度を、燃料電池スタック１０を代表する温度として採用する。ラジエータ３３は、第１冷却媒体流路９１に配置されている。第１電動ファン３４は、ラジエータ３３の近傍に配置され、ラジエータに向かって送風する。第１冷却媒体ポンプ４８は、第３冷却媒体流路９３から第４却媒体流路９４に向かって冷却媒体を流通させる。熱交換機３５は、第２冷却媒体流路９２を通る冷却媒体の熱と、第７却媒体流路９７を通る熱と間における熱交換を行う。
【００２８】
三方弁９９は、ラジエータ３３から排出された冷却媒体（第２冷却媒体流路９２を流通する冷却媒体）を、熱交換機３５と冷却媒体バイパス流路６９とのうち、いずれか一方に導くための弁である。燃料電池システム１００では、三方弁９９により、第１冷却媒体循環路Ｒ１と第２冷却媒体循環路Ｒ２との間で熱連携（冷却媒体を介した熱のやり取り）の有無を制御する。具体的には、第２冷却媒体流路９２を流通する冷却媒体を、三方弁９９を用いて熱交換機３５に導くことにより第１冷却媒体循環路Ｒ１と第２冷却媒体循環路Ｒ２と間で熱連携を実現し、三方弁９９を用いて冷却媒体バイパス流路６９に導くことにより第１冷却媒体循環路Ｒ１と第２冷却媒体循環路Ｒ２との間における熱連携を抑制する。
【００２９】
第２冷却媒体循環路Ｒ２は、冷却媒体としての純水を循環させることにより、熱交換機３５において得られた熱をヒータコア３６に供給するための流路である。第１冷却媒体循環路Ｒ１は、第５却媒体流路９５と、第６却媒体流路９６と、第７却媒体流路９７とを備えている。第５却媒体流路９５は、熱交換機３５とヒータコア３６とを連通し、熱交換機３５から排出された冷却媒体をヒータコア３６に供給する。第６却媒体流路９６は、ヒータコア３６と第２冷却媒体ポンプ４９とを連通し、ヒータコア３６から排出された冷却媒体を第２冷却媒体ポンプ４９に導く。第７却媒体流路９７は、第２冷却媒体ポンプ４９と熱交換機３５とを連通し、第２冷却媒体ポンプ４９により送り出された冷却媒体を熱交換機３５に供給する。
【００３０】
ヒータコア３６は、加熱用熱交換機であり、第２冷却媒体循環路Ｒ２を流通する冷却媒体の熱によって昇温される。第２電動ファン３７は、ヒータコア３６に対して送風することにより、図示しない車室内に向けてヒータコア３６により温められた空気を送出する。第２冷却媒体ポンプ４９は、第６却媒体流路９６から第７却媒体流路９７に向かって冷却媒体を流通させる。
【００３１】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池スタック１０及び負荷としてのモータ２００と電気的に接続されており、燃料電池スタック１０の出力電圧を制御する。電流計１５は、燃料電池スタック１０の電流値を測定する。
【００３２】
制御ユニット６０は、エアコンプレッサ３２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、各電動ファン３４，３７と、各ポンプ４７〜４９と、各弁４２〜４６，９９と電気的に接続されており、これら各要素を制御する。また、制御ユニット６０は、電流計１５と、各温度センサ１６，１７と電気的に接続されており、これら各要素から測定値を受信する。
【００３３】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６３とを備えている。ＲＯＭ６３には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ６１は、ＲＡＭ６２を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、運転制御部６１ａ，エアコンプレッサ制御部６１ｂ，弁制御部６１ｃ，暖房制御部６１ｄとして機能する。
【００３４】
運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス（空気及び水素ガス）の量、及び燃料電池スタック１０の電圧を制御することにより、燃料電池スタック１０の発電量を制御する。燃料電池スタック１０の電圧制御は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０を制御することにより実現する。空気量の制御は、エアコンプレッサ制御部６１ｂを介してエアコンプレッサ３２の回転数を調整することにより実現する。水素ガス量の制御は、弁制御部６１ｃを介して水素ガス供給弁４３の開度を調整することにより実現できる。また、運転制御部６１ａは、図示しないアクセルの開度及び車速に基づき、燃料電池スタック１０への要求出力値を算出する。
【００３５】
エアコンプレッサ制御部６１ｂは、エアコンプレッサ３２の回転数を制御することにより、燃料電池スタック１０に供給する空気量を調整する。弁制御部６１ｃは、各弁４２〜４６，９９の開度を調整する。暖房制御部６１ｄは、ユーザからの暖房指示を受け取ると共に、後述する暖房制御処理を行う。
【００３６】
ＲＯＭ６３には、回転数マップ６３ａと、Ｉ−Ｑマップ６３ｂと、Ｉ−Ｐマップ６３ｃと、調圧弁開度マップ６３ｄと、バイパス弁開度マップ６３ｅとが記憶されている。回転数マップ６３ａは、エアコンプレッサ３２のインペラの回転数とエアコンプレッサ３２から供給される空気量とを対応付けたマップであり、予め実験等により求めて設定される。
【００３７】
図２は、図１に示すＩ−Ｑマップ及びＩ−Ｐマップを模式的に示す説明図である。図２において、上段はＩ−Ｑマップ６３ｂを模式的に示し、下段はＩ−Ｐマップ６３ｃを模式的に示す。図２上段において、横軸は電流値を示し、縦軸は発熱量を示す。図２下段において、横軸は電流値を示し、縦軸は出力（電力量）を示す。
【００３８】
Ｉ−Ｑマップ６３ｂでは、燃料電池スタック１０への要求発熱量Ｑｆｃと、かかる要求発熱量Ｑｆｃを得るために必要な燃料電池スタック１０の電流値（以下、「発熱要求電流値」と呼ぶ）Ｉ０とが互いに対応付けられている。また、Ｉ−Ｐマップ６３ｃでは、燃料電池スタック１０への要求出力Ｐｆｃと、かかる出力を得るために必要な燃料電池スタック１０の電流値（以下、「出力要求電流値」と呼ぶ）Ｉｒｅｆとが、互いに対応付けられている。
【００３９】
図３は、Ｉ−Ｑマップ及びＩ−Ｐマップの設定方法を模式的に示す説明図である。図３において、横軸は燃料電池スタック１０の電流値を示し、縦軸は燃料電池スタック１０の電圧値を示す。図３において、曲線Ｌｃは、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）を示す。また、曲線Ｌｑは或る要求発熱量Ｑｆｃの等発熱量曲線を示し、曲線Ｌｐは或る要求出力Ｐｆｃの等出力曲線を示す。
【００４０】
図３に示すように、等発熱量曲線（曲線Ｌｑ）とＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）との交点の電流値は、発熱要求電流値Ｉ０に相当する。また、等出力曲線（曲線Ｌｐ）とＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）との交点の電流値は、出力要求電流値Ｉｒｅｆに相当する。そこで、予め、要求発熱量を変えながら等発熱量曲線（曲線Ｌｑ）とＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）との交点の電流値を求めることにより、Ｉ−Ｑマップ６３ｂを設定することができる。同様に、予め、要求出力を変えながら等出力曲線（曲線Ｌｐ）とＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）との交点の電流値を求めることにより、Ｉ−Ｐマップ６３ｃを設定することができる。
【００４１】
図１に示す調圧弁開度マップ６３ｄは、調圧弁４５の開度を決定するためのマップである。調圧弁開度マップ６３ｄでは、エアコンプレッサ３２から供給されるエア量（以下、「供給エア量」と呼ぶ）Ａａｃのうち、バイパス弁４４を流通するエア量（以下、「バイパスエア量」と呼ぶ）Ａｂｐと、燃料電池スタック１０に供給されるエア量（以下、「ＦＣ必要エア量」と呼ぶ）Ａｆｃとにより、調圧弁４５の開度が一意に定められるように設定されている。バイパス弁開度マップ６３ｅは、バイパス弁４４の開度を決定するためのマップである。バイパス弁開度マップ６３ｅでは、調圧弁開度マップ６３ｄと同様に、バイパスエア量Ａｂｐと、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとにより、バイパス弁４４の開度が一意に定められるように設定されている。
【００４２】
このような構成を備える燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０が通常運転を行っている際に暖房要求があると、後述する暖房制御処理を実行することにより、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。なお、本実施例において、燃料電池スタック１０の「通常運転」とは、反応ガスが十分に供給されており、燃料電池スタック１０の動作点が燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線上に存在するように燃料電池スタック１０が運転されている状態を意味する。また、発熱応答性とは、発熱要求があった場合に要求発熱量を満たすことができる性能、又は発熱要求があってから要求発熱量を満たすまでの期間の短さを意味する。
【００４３】
なお、前述のエアコンプレッサ３２は、請求項における酸化剤ガス供給部に相当する。また、バイパス弁４４及び調圧弁４５は、請求項における流量調整弁に相当する。
【００４４】
Ａ２．暖房制御処理：
図４は、燃料電池システムにおいて実行される暖房制御処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００が通常運転している際に、ユーザから温度を指定した暖房要求があると、暖房制御処理が開示される。なお、暖房制御処理の開始の際には、第１冷却媒体循環路Ｒ１と第２冷却媒体循環路Ｒ２とは互いに連携している。
【００４５】
暖房制御部６１ｄは、燃料電池スタック１０への要求出力値を取得する（ステップＳ１００）。運転制御部６１ａは、アクセル開度及び車速に基づき、モータ２００や補機（例えば、エアコンプレッサ３２）の要求エネルギーを算出している。暖房制御部６１ｄは、これら要求エネルギーを、燃料電池スタック１０への要求出力値として運転制御部６１ａから取得する。
【００４６】
暖房制御部６１ｄは、燃料電池スタック１０への要求発熱量を決定する（ステップＳ１０５）。燃料電池スタック１０への要求発熱量は、ヒータコア３６を昇温させるために必要な発熱量と、燃料電池スタック１０の温度を維持するために必要な発熱量とを足し合わせて求めることができる。ヒータコア３６の昇温のための発熱量は、ユーザが指定した車室内温度，外気温度，換気率（室内気と室外気との利用率），日射量，窓からの放熱量等に基づき、公知の方法により求めることができる。また、燃料電池スタック１０の温度を維持するための必要発熱量を、燃料電池スタック１０の温度及び外気温度に基づき、公知の方法により求めることができる。
【００４７】
暖房制御部６１ｄは、燃料電池スタック１０の運転モードの切替電流値Ｉｓを決定する（ステップＳ１１０）。燃料電池システム１００では、暖房制御処理を実行する際の燃料電池スタック１０の運転モードとして、通常運転モード及び暖房用運転モードが設定されており、後述するように燃料電池スタック１０の電流値に応じて運転モードが切り替えられる。ここで、燃料電池システム１００では、切替電流値Ｉｓとして発熱要求電流値Ｉ０を用いるため、暖房制御部６１ｄは、Ｉ−Ｑマップ６３ｂを参照して、ステップＳ１０５により決定した要求発熱量Ｑｆｃに基づき切替電流値Ｉｓ（すなわち、発熱要求電流値Ｉ０）を決定することができる。
【００４８】
暖房制御部６１ｄは、通常動作点を決定する（ステップＳ１１５）。通常動作点とは、要求出力値を満たすための燃料電池スタック１０の電流値（出力要求電流値Ｉｒｅｆ）及び電圧値（以下、「出力要求電圧値Ｖｒｅｆ」と呼ぶ）により定められる動作点を意味する。暖房制御部６１ｄは、運転制御部６１ａから要求出力値を得て、かかる要求出力値に基づき、Ｉ−Ｐマップ６３ｃを参照して出力要求電流値Ｉｒｅｆを決定し、決定した出力要求電流値Ｉｒｅｆにより要求出力値を割ることにより、出力要求電圧値Ｖｒｅｆを決定する。
【００４９】
暖房制御部６１ｄは、ステップＳ１１５において決定した出力要求電流値Ｉｒｅｆが、ステップＳ１１０において決定した切替電流値Ｉｓよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１２０）。
【００５０】
図５は、要求発熱量と燃料電池スタックの廃熱との関係を示す説明図である。図５において、上段は出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０以上の場合の要求発熱量及び燃料電池スタックの廃熱を示し、下段は出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０よりも小さい場合の要求発熱量及び燃料電池スタックの廃熱を示す。図５における横軸及び縦軸は、図３における横軸及び縦軸と同じである。図５上段の曲線Ｌｑ１及び下段の曲線Ｌｑ１は、いずれも要求発熱量が発熱量Ｑｆｃ１である等発熱量曲線を示す。図５上段の曲線Ｌｐ１は要求出力値Ｐｆｃ１の等出力曲線であり、曲線Ｌｐ２は要求曲線Ｐｆｃ２の等出力曲線である。図５上段及び下段の曲線Ｌｃは、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性曲線を示す。図５上段及び下段の一点鎖線で示す理論起電圧Ｖｔｈは、単セル１枚あたりの最大起電力（例えば、１．２３Ｖ）に、燃料電池スタック１０を構成するセル数を掛け合わせた電圧である。
【００５１】
例えば、図５上段に示すように、燃料電池スタック１０への要求出力が曲線Ｌｐ１で表わされる出力値Ｐｆｃ１の場合、燃料電池スタック１０の通常運転時の動作点は、曲線Ｌｃと曲線Ｌｐ１との交点である動作点ｐ１１となり、このときの電流値はＩｒｅｆ（１）であり、電圧値はＶｒｅｆ（１）である。燃料電池スタック１０が動作点ｐ１１で動作する場合の廃熱量Ｑｐは、図５上段の実線で囲んだ面積に相当する熱量となり、以下の式２で表わされる。
【００５２】
【数２】
0005590120.tif 000003
【００５３】
このとき、燃料電池スタック１０への要求発熱量が曲線Ｌｑ１で表わされる熱量Ｑｆｃ１であって、燃料電池スタック１０が通常運転を行っている（すなわち、動作点がＩ−Ｖ特性曲線上にある）場合には、要求発熱量を満たす動作点は、曲線Ｌｃと曲線Ｌｑ１との交点である動作点ｐ２１（Ｉ０（１），Ｖ０（１））となる。このとき、要求発熱量Ｑｑは、図５上段の破線で囲んだ面積に相当する熱量となり、以下の式３で表わされる。
【００５４】
【数３】
0005590120.tif 000004
【００５５】
図５上段に示すように、動作点ｐ１１の電流値、すなわち、出力要求電流値Ｉｒｅｆ（１）が、発熱要求電流値Ｉ０（１）以上である場合、廃熱量Ｑｐは、要求発熱量Ｑｑ以上となる。これは、電流値が増加するに従って電圧値が低下するという燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性（曲線Ｌｃの形状）による。この場合、燃料電池スタック１０の動作点をＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）に沿って移動させて、目標動作点である動作点ｐ１１に移動させることで、燃料電池スタック１０の廃熱により要求発熱量Ｑｑを十分に供給することができる。
【００５６】
一方、例えば、図５下段に示すように、燃料電池スタック１０への要求発熱量が図５の上段と同じ要求発熱量Ｑｑであり、発熱要求電流値が電流値Ｉ０（１）である場合において、燃料電池スタック１０への要求出力が曲線Ｌｐ２で表わされる出力値Ｐｆｃ２である場合、燃料電池スタック１０の通常運転時の動作点は、曲線Ｌｃと曲線Ｌｐ２との交点である動作点ｐ２１（Ｉｒｅｆ（２），Ｖｒｅｆ（２））である。燃料電池スタック１０が動作点ｐ２１で動作する場合の廃熱量Ｑｐは、図５下段の実線で囲んだ面積となり、以下の式４で表わされる。
【００５７】
【数４】
0005590120.tif 000005
【００５８】
図５下段に示すように、動作点ｐ２１の電流値、すなわち、出力要求電流値Ｉｒｅｆ（２）が、発熱要求電流値Ｉ０（１）よりも小さい場合、廃熱量Ｑｐは、要求発熱量Ｑｑよりも小さくなる。これは、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性によるものである。この場合、燃料電池スタック１０の動作点をＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）に沿って移動させて、動作点ｐ１１に移動させても、燃料電池スタック１０の廃熱では要求発熱量Ｑｑを満たすことはできない。
【００５９】
そこで、燃料電池システム１００では、ステップＳ１２０において、発熱要求電流値Ｉ０を切替電流値Ｉｓとして、出力要求電流値Ｉｒｅｆと切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）とを比較し、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）以上である場合には、後述するように、通常運転を行って燃料電池スタック１０の動作点をＩ−Ｖ特性曲線に沿って移動させる。一方、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）よりも小さい場合には、後述する暖房用運転を行って要求発熱量を供給する。
【００６０】
前述のステップＳ１２０において、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓ以上であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、暖房制御部６１ｄは、運転制御部６１ａを制御して通常運転制御を行い（ステップＳ１２５）、暖房制御部６１ｄは、暖房制御を行う（ステップＳ１３０）。通常運転制御では、運転制御部６１ａは、燃料電池スタック１０の動作点を、現在の動作点からステップＳ１１５において決定した通常動作点に移動させるように、反応ガスの供給量を制御すると共に燃料電池スタック１０の電圧を制御する。暖房制御では、暖房制御部６１ｄは、第２冷却媒体ポンプ４９の流量及び第２電動ファン３７の回転数を制御することにより、冷却媒体を介してヒータコア３６に供給する熱量を制御して、指定温度となるように客室内を暖める。
【００６１】
ステップＳ１３０の後、暖房制御部６１ｄは、暖房要求がオフとなったか否かを判定し（ステップＳ１３５）、暖房要求がオフでない場合にはステップＳ１００に戻り、暖房要求がオフとなった場合には暖房制御処理を終了する。次回以降にステップＳ１００以降の処理を実行する場合、指定温度の変化により要求発熱量が前回実行時に比べて変わっている可能性や、アクセル踏み込む量の変化等により要求出力が前回実行時に比べて変わっている可能性がある。したがって、次回以降においては、ステップＳ１２０において出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓよりも小さいと判定される可能性がある。
【００６２】
前述のステップＳ１２０において、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓよりも小さいと判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、暖房制御部６１ｄは、後述の暖房用運転時の目標動作点（以下、「暖房用運転目標動作点」と呼ぶ）を決定する（ステップＳ１４５）。具体的には、要求発熱量と要求出力とを同時に満たす動作点を、暖房用運転目標動作点とする。なお、この暖房用運転目標動作点は、請求項における要求動作点に相当する。
【００６３】
図６は、ステップＳ１４５により決定される暖房用運転目標動作点を示す説明図である。図６において、横軸及び縦軸は、図５の横軸及び縦軸と同じである。また、図６の曲線Ｌｃ，Ｌｐ２，Ｌｑ１は、図５下段に示す曲線Ｌｃ，Ｌｐ２，Ｌｑ１とそれぞれ同様である。燃料電池スタック１０への要求出力Ｐｆｃが曲線Ｌｐ２で表わされる出力値であって、要求発熱量Ｑｆｃが曲線Ｌｑ１で表わされる熱量である場合には、運転制御部６１ａは、２つの曲線Ｌｐ２，Ｌｑ１の交点である動作点Ｐ２（Ｉｒｅｆ’，Ｖｒｅｆ’）を、暖房用運転目標動作点として決定する。具体的には、下記式５により、電流値Ｉｒｅｆ’を求め、得られたＩｒｅｆ’を用いて、下記式６により電圧値Ｖｒｅｆ’を求める。
【００６４】
【数５】
0005590120.tif 000006
【００６５】
【数６】
0005590120.tif 000007
【００６６】
図４に示すステップＳ１４５において、暖房用運転目標動作点が決定されると、暖房制御部６１ｄは、運転制御部６１ａを制御して暖房用運転制御を行い（ステップＳ１５０）、暖房制御部６１ｄは、暖房制御を行う（ステップＳ１５５）。ステップＳ１５５の処理は、ステップＳ１３０の処理と同じである。
【００６７】
図７は、運転制御部の機能ブロックと暖房暖機運転制御の処理内容とを模式的に示す説明図である。図７に示すように、運転制御部６１ａは、ＦＣ必要エア量計算部７１と、エアコンプレッサ流量計算部８１と、コンバータ電圧制御部９８と、調圧弁開度決定部７２と、パイバス弁開度決定部８２と、フィードバック量決定部７４と、調圧弁開度指令部７３と、バイパス弁開度指令部８３と、エアコンプレッサ流量指令部８４とを備えている。
【００６８】
ＦＣ必要エア量計算部７１は、暖房用運転時に燃料電池スタック１０が必要とするエア量（ＦＣ必要エア量Ａｆｃ）を計算する機能部である。エアコンプレッサ流量計算部８１は、供給エア量Ａａｃを計算する機能部である。コンバータ電圧制御部９８は、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して燃料電池スタック１０の電圧を制御する機能部である。調圧弁開度決定部７２は、調圧弁開度マップ６３ｄに基づき調圧弁４５の開度を決定する機能部である。パイバス弁開度決定部８２は、バイパス弁開度マップ６３ｅに基づきバイパス弁４４の開度を決定する機能部である。
【００６９】
フィードバック量決定部７４は、調圧弁開度決定部７２により決定された調圧弁４５の開度の補正量（フィードバック量）を、ＦＣ指令電流値（すなわち、暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’）と電流計１５から通知される測定電流値との差分に基づき決定する機能部である。調圧弁開度指令部７３は、調圧弁開度決定部７２により決定された調圧弁４５の開度と、フィードバック量決定部７４により決定されたフィードバック量とを足し合わせて調圧弁４５の目標開度を決定し、弁制御部６１ｃに通知する機能部である。バイパス弁開度指令部８３は、パイバス弁開度決定部８２により決定されたバイパス弁４４の開度を弁制御部６１ｃに通知する機能部である。エアコンプレッサ流量指令部８４は、エアコンプレッサ流量計算部８１により決定された供給エア量Ａａｃを、エアコンプレッサ制御部６１ｂに通知する機能部である。
【００７０】
ＦＣ必要エア量計算部７１は、ステップＳ１４５において決定された暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’を用いて、下記式７に基づきＦＣ必要エア量Ａｆｃを計算する。式７において、定数「ｎ」は燃料電池スタック１０が有する単セルの数を示す。また、定数「２２．４」は、エア量（モル）を体積（リットル）に換算するための係数であり、定数「６０」は、分を秒に換算するための係数であり、定数「９６５００」はファラデー定数であり、定数「０．２１」は空気中の酸素含有率である。また、式７に示すように、ＦＣ必要エア量Ａｆｃの算出においては、エアストイキ比として定数「１．０」を用いる。
【００７１】
【数７】
0005590120.tif 000008
【００７２】
エアコンプレッサ流量計算部８１は、ステップＳ１１０において決定された切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）を用いて、下記式８に基づき供給エア量Ａａｃを計算する。式８における各定数の値は、エアストイキ比を除いて式７の各定数と同じである。供給エア量Ａａｃの算出においては、エアストイキ比として通常運転時におけるエアストイキ比として予め設定されている値が用いられる。式８では、通常運転時におけるエアストイキ比として「１．４」が用いられている。なお、エアストイキ比として任意の値が採用し得る。
【００７３】
【数８】
0005590120.tif 000009
【００７４】
エアコンプレッサ流量指令部８４は、前述のようにして算出された供給エア量Ａａｃを供給するように、エアコンプレッサ制御部６１ｂを介してエアコンプレッサ３２を制御する。上記式８に示すように、供給エア量Ａａｃを求める際に用いる電流値は、切替電流値Ｉｓ、すなわち発熱要求電流値Ｉ０であるので、エアコンプレッサ３２は、燃料電池スタック１０の目標動作点が、暖房用運転目標動作点（図６における動作点Ｐ２）ではなく、Ｉ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）と、要求発熱量Ｑｆｃの等発熱曲線（曲線Ｌｑ１）との交点（図６における動作点Ｐ１（Ｉ０，Ｖ０））であるものとして、エアを供給することとなる。この場合、発熱要求電流値Ｉ０は、暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’よりも大きいので、供給エア量ＡａｃはＦＣ必要エア量Ａｆｃよりも多い。
【００７５】
調圧弁開度決定部７２は、エアコンプレッサ流量計算部８１が算出した供給エア量ＡａｃからＦＣ必要エア量計算部７１が算出したＦＣ必要エア量Ａｆｃを減じることにより、バイパスエア量Ａｂｐを求め、このバイパスエア量ＡｂｐとＦＣ必要エア量Ａｆｃとに基づき、調圧弁開度マップ６３ｄを参照して調圧弁４５の開度を決定して調圧弁開度指令部７３に通知する。調圧弁開度指令部７３は、調圧弁開度決定部７２から通知された開度と、フィードバック量決定部７４から通知された補正開度とに基づき、調圧弁４５の開度を決定して、図１に示す弁制御部６１ｃに開度を指示する。当初はフィードバック量決定部７４からは補正開度は通知されないので、調圧弁４５の開度は、調圧弁開度決定部７２により決定された開度に調整される。
【００７６】
フィードバック量決定部７４は、定期的に、電流計１５の測定電流値とＦＣ指令電流値（電流値Ｉｒｅｆ’）との比較及び調圧弁４５開度の補正値の決定を行い、決定した開度補正値を調圧弁開度指令部７３に通知する。具体的には、予め測定電流値と電流値Ｉｒｅｆ’との電流値との差分に応じて補正値が設定されている図示しないテーブルがＲＯＭ６３に格納されており、フィードバック量決定部７４は、かかるテーブルを参照して補正値を決定して調圧弁開度指令部７３に通知する。ここで、測定電流値と電流値Ｉｒｅｆ’との電流値との差分に応じて予め補正値が設定されているテーブルでは、測定電流値が電流値Ｉｒｅｆ’よりも小さい場合には、調圧弁４５の開度を大きくするような補正値が設定され、かつ、電流差がより大きいほど開度をより大きくするような補正値が設定されている。また、測定電流値が電流値Ｉｒｅｆ’よりも大きい場合には、調圧弁４５の開度を小さくするような補正値が設定され、かつ、電流差がより大きいほど開度をより小さくするような補正値が設定されている。このように設定されている補正値に基づき、調圧弁４５の開度を調整するので、燃料電池スタック１０の動作点を、暖房用運転目標動作点（図６に示す動作点Ｐ２（Ｉｒｅｆ’，Ｖｒｅｆ’）となるように制御することができる。
【００７７】
ここで、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを、当初より暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’を実現するための理論上のエア量（エアストイキ比１．４における理論上のエア量）に設定せずに、エアストイキ比を１．０に設定した場合のエア量（理論上のエア量よりも少ないエア量）に設定し、その後、フィードバック制御により調整しているのは、以下の理由による。エアストイキ比として予め設定されている値（本実施例における「１．４」）は、通常運転の際、すなわち、燃料電池スタック１０の動作点がＩ−Ｖ特性曲線上にある場合において、各単セルに必要なエア量を供給可能な値として予め設定されている値である。したがって、暖房用運転時のように、動作点がＩ−Ｖ特性曲線上になく濃度過電圧を生じさせる状況においては、通常運転を前提として設定されているエアストイキ比を用いた場合に、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして適切なエア量を供給できない（過剰にエアを供給する）おそれがある。そこで、当初は、エアストイキ比を１．０に設定してＦＣ必要エア量Ａｆｃを比較的少ない量とし、その後、測定電流値が目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’に近づくように調圧弁４５を調整することにより、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして適切なエア量を供給させるようにしている。
【００７８】
パイバス弁開度決定部８２は、エアコンプレッサ流量計算部８１が算出した供給エア量ＡａｃからＦＣ必要エア量計算部７１が算出したＦＣ必要エア量Ａｆｃを減じることにより、バイパスエア量Ａｂｐを求め、このバイパスエア量ＡｂｐとＦＣ必要エア量Ａｆｃとに基づき、バイパス弁開度マップ６３ｅを参照してバイパス弁４４の開度を決定してバイパス弁開度指令部８３に通知する。バイパス弁開度指令部８３は、パイバス弁開度決定部８２から通知された開度に基づき、バイパス弁４４の開度を決定して、図１に示す弁制御部６１ｃに開度を指示する。したがって、バイパス弁４４の開度は、パイバス弁開度決定部８２により決定された開度に調整される。
【００７９】
コンバータ電圧制御部９８は、ステップＳ１４５において決定された暖房用運転目標動作点の電圧値Ｖｒｅｆ’をＤＣ−ＤＣコンバータ２１０に通知するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池スタック１０の電圧を電圧値Ｖｒｅｆ’となるように調整する。
【００８０】
図４に示す暖房制御（ステップＳ１５５）が実行された後、運転制御部６１ａは、暖房要求がオフとなったか否かを判定し（ステップＳ１６０）、暖房要求がオフでない場合にはステップＳ１００に戻り、暖房要求がオフとなった場合には暖房制御処理を終了する。
【００８１】
図８は、暖房制御処理を実行中における供給エア量，ＦＣ必要エア量，及びバイパスエア量と、電流値との関係を示す説明図である。図８において、下段は暖房制御処理を実行中における供給エア量Ａａｃ，ＦＣ必要エア量Ａｆｃ，及びバイパスエア量Ａｂｐと、電流値との関係を示す。なお、説明の便宜上、図８上段に、図６と同じ図を記載している。
【００８２】
図８下段において、横軸は燃料電池スタック１０の電流値を示し、縦軸はエア流量を示す。また、図８下段において、太い実線はエアコンプレッサ３２による供給エア量Ａａｃを示し、太い破線は、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを示す。なお、電流値が発熱要求電流値Ｉ０（切替電流値Ｉｓ）以上においては、ＦＣ必要エア量Ａｆｃと供給エア量Ａａｃとは一致している。図８下段において、一点鎖線のラインＬｌは、通常運転時にエアストイキ比が１．０の場合における燃料電池スタック１０の電流とＦＣ必要エア量Ａｆｃとの関係を示す。図８下段において、二点鎖線のラインＬｈは、通常運転時にエアストイキ比が１．４の場合における燃料電池スタック１０の電流とＦＣ必要エア量Ａｆｃとの関係を示す。
【００８３】
図８下段に示すように、燃料電池スタック１０の電流値が切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）よりも小さい場合、すなわち、暖房用運転を実行している場合には、燃料電池スタック１０の電流値の大きさに関わらず、供給エア量Ａａｃはエア量Ａｑ１で一定である。これは以下の理由による。供給エア量Ａａｃをエア量Ａｑ１で一定としておくことにより、目標動作点が発熱要求電流値Ｉ０（切替電流値Ｉｓ）以下であれば、供給エア量Ａａｃを変化させる必要がなくなる。その結果、目標動作点が変わってＦＣ必要エア量Ａｆｃを変化させようとする場合に、エアコンプレッサ３２の応答性の影響を抑制できるので、エアコンプレッサ３２の応答性が低い場合であっても、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができるからである。したがって、例えば、暖房用運転時にアクセル踏み込み量が増加した場合であっても、エアコンプレッサ３２の回転数は一定のままＦＣ必要エア量を増加させることができるので、出力応答性を向上させることができる。
【００８４】
また、供給エア量Ａａｃを一定とする際の値として、電流値が発熱要求電流値Ｉ０であるＩ−Ｖ特性曲線上の動作点におけるエア量Ａｑ１を用いるのは、以下の理由による。発熱要求電流値Ｉ０よりも高い電流値を実現するためのエア量で一定とした場合、暖房用運転を行う電流範囲が広くなるため、通常運転制御に比べて複雑な制御である暖房用運転制御を行う機会が高くなり、出力応答性及び発熱応答性の悪化を招くおそれがある。また、発熱要求電流値Ｉ０よりも低い電流値を実現するための回転数で一定とした場合、要求出力の増加に伴って暖房用運転から通常運転に移行する際におけるエアコンプレッサ３２の回転数の上昇量が増える。したがって、この場合も、エアコンプレッサ３２の応答性が低い場合には、エア量調整の応答性が悪化するため、出力応答性及び発熱応答性の悪化を招くおそれがある。そこで、供給エア量Ａａｃを一定とする際の値として、電流値が発熱要求電流値Ｉ０であるＩ−Ｖ特性曲線上の動作点におけるエア量Ａｑ１を採用することにより、暖房用運転を行う電流範囲を狭くするという要請と、暖房用運転から通常運転に移行する際におけるエアコンプレッサ３２の回転数の上昇量（供給エア量Ａａｃの上昇量）を抑制するという要請を同時に満たすようにしている。
【００８５】
図８下段に示すように、暖房用運転を開始した時点において、ＦＣ必要エア量Ａｆｃは、ラインＬｌ上の点Ｐ３１のエア量Ａｑ２であり、バイパスエア量Ａｐｂは、エア量Ａｑ１とエア量Ａｑ２との差分のエア量となっている。その後、暖房用運転を実行中において、目標動作点の電流値が上昇した場合、ＦＣ必要エア量Ａｆｃは、ストイキ比１．０のラインＬｌから離れて徐々に増加する。そして、目標電流値が切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）以上の場合に、ＦＣ必要エア量Ａｆｃは供給エア量Ａａｃと一致する。  
【００８６】
ここで、暖房用運転では、濃度過電圧を実現する際に、各単セルのカソードにおいてポンピング水素が発生する。始動時における暖機運転では、要求発熱量が大きいため（例えば、９０ｋＷ）、発生するポンピング水素量が多いので、ポンピング水素を希釈するためのエア量を考慮してバイパスエア量Ａｂｐを決定しなければならない。これに対し、暖房要求の要求発熱量は小さいため（例えば、５ｋＷ）、発生するポンピング水素量も少ない。したがって、供給エア量ＡａｃからＦＣ必要エア量Ａｆｃを減じて得られるエア量（バイパスエア量）により、ポンピング水素を十分に希釈することができる。それゆえ、燃料電池システム１００では、暖房用運転の際に、ポンピング水素量の希釈に必要なエア量を計算しないようにすることで、処理を簡素化してエア調整量の応答性を向上させている。
【００８７】
図８上段に示すように、暖房用運転を開始した時点において、燃料電池スタック１０の動作点が動作点Ｐ２であり、その後、要求発熱量は一定のまま要求出力が増加した場合、動作点は、要求発熱量Ｑｆｃの等発熱曲線（曲線Ｌｑ１）に沿って移動する。目標電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓ（発熱要求電流値Ｉ０）を越えた場合、通常運転が行われ、燃料電池スタック１０の動作点は、Ｉ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌｃ）に沿って移動することとなる。
【００８８】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池システム１００では、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０よりも小さいか否かを判定し、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０以上である場合には通常運転を行うので、暖房制御のための複雑な制御を必要としないで、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。加えて、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０以上である場合には、要求出力を得ることができ、出力応答性を向上させることができる。また、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０以上である場合には、通常運転による燃料電池スタック１０の廃熱量は、要求発熱量よりも大きくなる。したがって、要求発熱量を満たすだけの熱量を燃料電池スタック１０の廃熱から得ることができるので、発熱応答性を向上させることができる。
【００８９】
また、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０よりも小さい場合には、暖房用運転を行って、通常運転よりも発電効率の低い（すなわち、発熱効率の高い）動作点となるように制御するので、要求発熱量を満たすだけの熱量を燃料電池スタック１０の廃熱から得ることができる。加えて、目標動作点として要求発熱量と要求出力とを同時に満たす動作点を設定してエア量及び電圧を制御するので、発熱応答性及び出力応答性を向上させることができる。また、暖房用運転では、エアコンプレッサ３２の回転数を一定とするので、エアコンプレッサ３２の応答性の影響を抑制できる。したがって、応答性の低いエアコンプレッサを用いた場合でも、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００９０】
また、暖房用運転の際に、供給エア量Ａａｃを、電流値が発熱要求電流値Ｉ０であるＩ−Ｖ特性曲線上の動作点における供給エア量Ａａｃで一定としているので、暖房用運転を行う電流範囲を狭くするという要請と、暖房用運転から通常運転に移行する際におけるエアコンプレッサ３２の回転数の上昇量を抑制するという要請を同時に満たすことができる。したがって、暖房制御の簡素化及びエア量調整の応答性の向上を実現できるので、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００９１】
また、出力要求電流値Ｉｒｅｆが発熱要求電流値Ｉ０よりも小さい場合において実行される暖房用運転では、要求出力と要求発熱量とを両立する動作点を暖房用運転目標動作点として設定するので、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【００９２】
また、暖房用運転により生じるポンピング水素を希釈するためのエア量を算出する処理を省略しているので、かかる処理を実行する構成に比べてエア量調整の応答性を向上させることができる。
【００９３】
また、ＦＣ必要エア量Ａｆｃを、当初より暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’を実現するための理論上のエア量に設定せずに、理論上のエア量よりも少ないエア量を当初設定し、その後、フィードバック制御により調整するので、動作点がＩ−Ｖ特性曲線上になく濃度過電圧を生じさせる状況においても、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとして適切なエア量を供給することができる。
【００９４】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムは、後述する始動時暖機運転時に暖房要求があった場合に、直ちに暖房制御処理を開始することに代えて、客室温度が所定の温度に達するまで始動時暖機運転を行い、客室温度が所定の温度以上となった場合に暖房制御処理を実行する点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００９５】
第２実施例の燃料電池システムでは、氷点下での始動の際に、燃料電池の動作温度を上昇させて効率的な発電が可能な温度範囲（例えば、６０℃〜８０℃）に近づけるために暖機運転を行う。このときの暖機運転（以下、「始動時暖機運転」と呼ぶ）では、発熱量をより大きくするために（すなわち、濃度過電圧をより大きくするために）、第１実施例の暖房用運転と比べて発電効率が低い動作点が目標動作点として設定される。この始動時暖機運転は、発電効率の低下に起因して、燃費が悪化する点や、燃料電池スタック１０の出力が要求出力を下回る場合がある点や、エアコンプレッサ３２の回転数を調整して燃料電池スタック１０に供給するエア量をより大きく変化させる点や、フィードバック制御を行わない点などにおいて、第１実施例の暖房用運転と異なり、他の処理は暖房用運転と同じである。なお、始動時暖機運転としては、燃料電池スタック１０の始動時に実行される公知の暖機運転を採用することができる。
【００９６】
図９は、第２実施例の燃料電池システムの始動時における燃料電池スタック温度，客室温度，及び廃熱量の推移例を模式的に示す説明図である。図９上段は、始動時における燃料電池スタック１０の温度の推移例を示す。図９中段は、始動時暖機運転中に暖房要求があった場合の客室温度の推移例を示す。図９下段では、始動時暖機運転中に暖房要求があった場合における燃料電池スタック１０への要求発熱量の推移例を実線で、暖房要求がない場合における燃料電池スタック１０への要求発熱量の推移例を破線で、それぞれ示す。図９の各段において横軸は時刻を示す。また、図９上段の縦軸は燃料電池スタック１０の温度を、図９中段の縦軸は客室温度を、図９下段の縦軸は燃料電池スタック１０への要求発熱量を、それぞれ示す。
【００９７】
第２実施例の燃料電池システムでは、暖機目標温度として＋６０℃が設定されており、図９上段に示すように、燃料電池スタック１０の温度は、始動時の−２０℃から上昇して、時刻ｔ１において暖機目標温度（＋６０℃）に達している。第２実施例の燃料電池システムでは、暖房要求がない場合における始動時暖機運転を完了するタイミングは、図９下段の破線に示すように、暖機目標温度に達した時刻ｔ１である。図９下段に示すように、暖房要求がない場合、燃料電池システムは、時刻ｔ１以降において、燃料電池スタック１０が適温を保つために必要なエネルギー（保温エネルギー）を、暖房用制御処理を実行して得る。
【００９８】
これに対し、始動時暖機運転中に暖房要求があると、時刻ｔ１において、第１冷却媒体循環路Ｒ１と第２冷却媒体循環路Ｒ２との連携が行われ、燃料電池スタック１０の廃熱が暖房に利用される。このとき、暖房要求がない場合と異なり、始動時暖機運転は終了しない。図９中段に示すように、客室温度は、時刻ｔ１を過ぎると始動時の−２０℃から急激に上昇し、時刻ｔ２において暖房要求における指定温度である＋２５℃に達している。
【００９９】
燃料電池システム１００では、客室温度を監視して、指定温度に達した場合に始動時暖機を終了させて、暖房制御処理を実行するようにしている。したがって、図９下段に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までにおける始動時暖機運転により生じる燃料電池スタック１０の廃熱は、暖房のための空調エネルギーと、燃料電池スタック１０の保温エネルギーとに利用される。そして、時刻ｔ２以降では、暖房制御処理により生じる燃料電池スタック１０の廃熱が、暖房のための空調エネルギー（室温維持エネルギー）と、燃料電池スタック１０の保温エネルギーとに利用される。
【０１００】
このように、客室温度が指定温度に達するまで始動時暖機運転を継続し、客室温度が指定温度に達した場合に暖房用運転を開始するのは、以下の理由による。始動時暖機運転では、暖房用運転に比べてより大きな発熱量が得られるので、客室温度が指定温度に達するまで始動時暖機運転を継続することにより、より短期間のうちに客室温度を指定温度まで上昇させ得るからである。また、客室温度が指定温度に達した後には、客室温度の維持に要する熱量と燃料電池スタック１０の保温のための熱量とは比較的少ないので、暖房用運転を実行するにより、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができるからである。
【０１０１】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、客室温度が指定温度に達するまで始動時暖機運転を継続することにより、より短期間のうちに客室温度を指定温度まで上昇させることができる。また、客室温度が指定温度に達した後には、暖房用運転を実行するにより、出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。
【０１０２】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例の燃料電池システムを搭載した電気車両の概略を示す外観図である。第３実施例の電気車輌ＥＶは、車室ＣＡと、前部座席１１１と、後部座席１１２と、操作パネルＳＰとを備えている。前部座席１１１及び後部座席１１２は、車室ＣＡの内部に配置されている。操作パネルＳＰは、運転席前面に配置され、最大昇温スイッチＳＷを備えている。
【０１０３】
第３実施例の燃料電池システムは、始動時暖機運転時における暖房運転モードとして、第２実施例において述べたような、客室温度が指定温度に達したタイミングで始動時暖機運転を終了して暖房制御処理を実行するモード（以下、「最大昇温モード」と呼ぶ）と、燃料電池スタック１０の温度が高効率運転可能な所定温度（例えば、＋６０℃）に達したタイミングで始動時暖機運転を終了して暖房制御処理を実行するモード（以下、「燃費優先モード」と呼ぶ）とを備える点と、最大昇温スイッチＳＷを備えている点とにおいて、第２実施例の燃料電池システムと異なり、他の構成は、第２実施例の燃料電池システムと同じである。なお、最大昇温スイッチＳＷは、請求項におけるユーザインタフェース部に相当する。また、最大昇温モードは請求項における第１の暖房運転モードに、燃費優先モードは請求項における第２の暖房運転モードに、それぞれ相当する。
【０１０４】
最大昇温スイッチＳＷは、始動時暖機運転の際の暖房運転モードとして最大昇温モードを指定するための最大昇温スイッチＳＷである。運転者（乗員）は、始動時暖機運転時において暖房要求を行う際に、この最大昇温スイッチＳＷを押して最大昇温モードを指定することにより、より短期間で客室を暖めることができる。しかしながら、第２実施例で述べたように、最大昇温モードでは、燃料電池スタック１０の発熱量をより大きくするために燃費や出力応答性が悪化する。そこで、燃費悪化や出力応答性の悪化を望まない場合には、運転者（乗員）は最大昇温スイッチＳＷを押さないようにする。この場合、燃費優先モードが実行されるので、燃料電池スタック１０の温度が暖機目標温度に達した後には、第１実施例で述べた暖房制御処理が実行される。
【０１０５】
以上説明した第３実施例の燃料電池システムは、第２実施例の燃料電池システムと同様な効果を有する。加えて、第３実施例の燃料電池システムでは、始動時暖機運転時における暖房運転モードとして、最大昇温モードと燃費優先モードとが設定され、また、電気車輌ＥＶは最大昇温モードを指定するための最大昇温スイッチＳＷを備えているので、運転者（乗員）は、暖房要求時に最大昇温スイッチＳＷを押下することにより、始動時においてより短期間のうちに客室内を暖めるように指定することができる。また、最大昇温スイッチＳＷを押下しないことにより、始動時における燃費の悪化及び出力応答性の悪化を抑制することができる。
【０１０６】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０７】
Ｄ１．変形例１：
第３実施例では、始動時暖機運転時の暖房運転を最大昇温モードとするために、最大昇温スイッチＳＷの押下を要していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、暖房要求における指定温度として、指定可能な最高温度が指定された場合に最大昇温モードとし、最高温度以外の温度が指定された場合に燃費優先モードとすることもできる。このような構成により、最大昇温スイッチＳＷを省略することができ、電気車輌ＥＶの製造コストを抑えることができる。
【０１０８】
また、例えば、運転者（乗員）により暖房要求が実行された際に、客室内の温度を測定し、客室温度が所定の温度（例えば、−１０℃）よりも低い場合には最大昇温モードとし、客室温度が所定の温度以上である場合には燃費優先モードとする構成も採用できる。客室内が非常に低温である場合には、より短期間に客室内を暖めたいとする要請が高い。そこで、上記の構成により、運転者（乗員）がわざわざスイッチ操作することなく、暖房運転を最大昇温モードとすることができるので、運転者（乗員）の利便性を高めることができる。
【０１０９】
Ｄ２．変形例２：
各実施例では、暖房用運転の際のＦＣ必要エア量Ａｆｃを、当初はエアストイキ比を１．０として算出された流量とし、その後、暖房用運転目標動作点の電流値Ｉｒｅｆ’と測定電流値とに応じてエア量を調整していたが、本発明はこれに限定されるものではない。暖房用運転時に電流値が電流値Ｉｒｅｆ’となる場合における最適なエアストイキ比を、予め実験等により求めてＲＯＭ６３に格納しておき、かかるエアストイキ比を用いてＦＣ必要エア量Ａｆｃを算出する構成を採用することができる。この構成では、算出したＦＣ必要エア量Ａｆｃに基づき調圧弁４５の開度が決定されると、この決定された調圧弁４５の開度を固定できるので、フィードバック制御を省略してエア量調整のための処理をシンプルにでき、エア量調整の応答性を向上させることができる。
【０１１０】
Ｄ３．変形例３：
第２，３実施例では、暖房要求がない場合において、始動時暖機運転が終了するのは、燃料電池スタック１０の温度が＋６０℃となった場合（燃料電池スタック１０の廃熱が９０ｋＷとなった場合）であったが、＋６０℃に代えて、任意の温度（任意の発熱量）を採用することができる。また、第２，３実施例では、第１冷却媒体循環路Ｒ１及び第２冷却媒体循環路Ｒ２が熱連携する温度は、暖房要求がない場合における始動時暖機運転終了温度と一致していたが、これに代えて、始動時暖機運転終了温度よりも低い、或いは、高い温度とすることができる。
【０１１１】
また、第２，３実施例では、始動時暖機運転終了のタイミングと、電気車輌が運転可能となるタイミングとは一致していたが、これに代えて、電気車輌が運転可能となるタイミングを、始動時暖機運転終了のタイミングよりも前とすることもできる。例えば、燃料電池スタック１０の温度が、電気車輌が動くための必要最低限の出力を確保可能な温度（例えば、＋３０℃）に達したタイミングで電気車輌を運転可能とし、より高い温度（例えば、＋６０℃）に達したタイミングで始動時暖機運転を終了させることもできる。このような構成により、より早いタイミングから電気車輌を運転可能な状態にすることができる。
【０１１２】
Ｄ４．変形例４：
各実施例では、ＦＣ必要エア量Ａｆｃとバイパスエア量Ａｂｐとの流量比を制御するために、バイパス弁４４及び調圧弁４５を用いていたが、いずれか一方のみで制御することもできる。かかる構成では、流量比を制御するために用いる一つの弁が、請求項における流量調整弁に相当する。すなわち、一般には、酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスのうち、酸化剤ガス供給路から燃料電池に向かう酸化剤ガスの流量と、酸化剤ガス供給路からバイパス流路に向かう酸化剤ガスの流量との流量比を調整する流量調整弁を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１１３】
Ｄ５．変形例５：
各実施例で実行される暖房制御処理では、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓよりも小さい場合には、暖房用運転制御が実行されていたが、暖房用運転制御に代えて、始動時暖機運転制御が実行される構成も採用し得る。この構成においても、出力要求電流値Ｉｒｅｆが切替電流値Ｉｓ以上である場合には通常運転が実行されるので、出力要求電流値Ｉｒｅｆの大きさに関わらず、常に始動時暖房運転制御が実行される構成に比べて、制御をシンプルにでき、燃料電池スタック１０の出力応答性及び発熱応答性を向上させることができる。すなわち、一般には、出力要求電流値が発熱要求電流値（切替電流値）よりも小さい場合には、燃料電池の動作点が燃料電池の電流対電圧特性曲線上にある場合に比べて発電効率の低い動作点となるように制御する運転制御部を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１１４】
Ｄ６．変形例６：
各実施例では、燃料電池システムは、電気車両に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物における暖房システムに適用することもできる。
【０１１５】
Ｄ７．変形例７：
各実施例では、酸化剤ガスとして空気を用いていたが、空気に代えて、酸素を含む任意の気体を酸化剤ガスとして用いることもできる。
【０１１６】
Ｄ８．変形例８：
上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１０…燃料電池スタック、１５…電流計、１６…温度センサ、３１…水素タンク、３２…エアコンプレッサ、３３…ラジエータ、３４…第１電動ファン、３５…熱交換機、３６…ヒータコア、３７…第２電動ファン、４２…遮断弁、４３…水素ガス供給弁、４４…バイパス弁、４５…調圧弁、６…パージ弁、４７…循環ポンプ、４８…第１冷却媒体ポンプ、４９…第２冷却媒体ポンプ、５１…水素ガス供給路、５２…アノードオフガス排出路、５３…空気供給路、５４…空気供給路、５５…カソードオフガス排出路、５６…空気バイパス路、６０…制御ユニット、６１…ＣＰＵ、６１ａ…運転制御部、６１ｂ…エアコンプレッサ制御部、６１ｃ…弁制御部、６１ｄ…暖房制御部、６２…ＲＡＭ、６３…ＲＯＭ、６３ａ…回転数マップ、６３ｂ…Ｉ−Ｑマップ、６３ｃ…Ｉ−Ｐマップ、６３ｄ…調圧弁開度マップ、６３ｅ…バイパス弁開度マップ、９１…第１冷却媒体流路、９２…第２冷却媒体流路、９３…第３冷却媒体流路、９４…第４冷却媒体流路、９５…第５冷却媒体流路、９６…第６冷却媒体流路、９７…第７冷却媒体流路、６９…冷却媒体バイパス流路、７１…ＦＣ必要エア量計算部、７２…調圧弁開度決定部、７３…調圧弁開度指令部、７４…フィードバック量決定部、８１…エアコンプレッサ流量計算部、８２…パイバス弁開度決定部、８３…バイパス弁開度指令部、８４…エアコンプレッサ流量指令部、９８…コンバータ電圧制御部、９９…三方弁、１００…燃料電池システム、１１１…前部座席、１１２…後部座席、２００…モータ、ＣＡ…車室、ＳＰ…操作パネル、ＥＶ…電気車輌、ＳＷ…最大昇温スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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