CN102859771A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统具备燃料电池、运转控制部、空调机构，燃料电池在电流对电压特性曲线上的工作点进行运转的通常运转时，在存在对空调机构的制热要求的情况下，运转控制部比较满足要求发热量的电流对电压特性曲线上的工作点的电流值即发热要求电流值、与满足要求输出的电流对电压特性曲线上的工作点的电流值即输出要求电流值，在输出要求电流值为发热要求电流值以上时，运转控制部使燃料电池在电流对电压特性曲线上的工作点动作，在输出要求电流值比发热要求电流值小时，运转控制部执行控制以使燃料电池的工作点成为与处于电流对电压特性曲线上时相比发电效率低的工作点。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的废热的利用。
背景技术
为了确保低温起动时的燃料电池的动作稳定性，提出了如下的技术，即：进行以与通常运转时相比低的效率使燃料电池发电的运转（以下，称为“低效率运转”），由此使燃料电池的热损失（废热）增加，通过废热来使燃料电池升温。
发明内容
在通常运转时执行低效率运转而将通过低效率运转产生的热量利用于制热的情况下，为了得到制热用的要求热量而使发电效率下降，由此无法得到要求输出（电力），输出响应性可能会下降。而且，与之相反地，为了满足要求输出而无法得到要求发热量，发热响应性可能会下降。而且，在使用氢气及空气作为反应气体的系统中，通过低效率运转而在阴极产生氢气，因此需要利用空气对该氢气进行稀释。在通常运转时，依次计算稀释用的空气量和阳极所需空气量，在进行各自的空气量的供给控制时，空气量调整的处理变得复杂，可能会导致输出响应性及发热响应性的恶化。
本发明目的是在利用燃料电池的废热进行制热的燃料电池系统中，在通常运转时提高进行制热之际的输出响应性及发热响应性。
本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式或适用例来实现。
[适用例1]一种燃料电池系统，具备：燃料电池；运转控制部，对所述燃料电池的运转进行控制；及空调机构，利用所述燃料电池的废热进行制热，所述燃料电池在所述燃料电池的电流对电压特性曲线上的工作点进行运转的通常运转时，在存在对所述空调机构的制热要求的情况下，所述运转控制部比较所述电流对电压特性曲线上且满足对所述燃料电池的要求发热量的工作点的电流值即发热要求电流值、与在所述电流对电压特性曲线上且满足对所述燃料电池的要求输出的工作点的电流值即输出要求电流值，在所述输出要求电流值为所述发热要求电流值以上的情况下，所述运转控制部使所述燃料电池在所述电流对电压特性曲线上的工作点工作，在所述输出要求电流值比所述发热要求电流值小的情况下，所述运转控制部执行控制所述燃料电池的工作点成为与处于所述燃料电池的电流对电压特性曲线上时相比发电效率低的工作点的制热用运转控制。
在适用例1的燃料电池系统中，在输出要求电流值为发热要求电流值以上时，将燃料电池的工作点控制成电流对电压特性曲线上，因此与在输出要求电流值为发热要求电流值以上时将燃料电池的工作点控制成比电流对电压特性曲线的发电效率低（即，发热效率高）的工作点的结构相比，能够提高输出，并简化处理。因此，能够提高输出响应性。而且，在输出要求电流值为发热要求电流值以上时，由于电流对电压特性曲线上的工作点的燃料电池的废热量比要求发热量大，因此通过形成为适用例1的结构，能够从燃料电池的废热得到满足制热要求的热量，因此也能够提高发热响应性。而且，在输出要求电流值比发热要求电流值小的情况下，控制成与燃料电池的工作点处于电流对电压特性曲线上的情况相比发电效率低（即，发热效率高）的工作点，因此能够从燃料电池的废热得到满足制热要求的热量。
[适用例2]在适用例1记载的燃料电池系统中，还具备：氧化剂气体供给部，将所述燃料电池的发电所利用的氧化剂气体向所述燃料电池供给；氧化剂气体供给路，将所述氧化剂气体供给部与所述燃料电池连通；阴极侧废气排出路，将所述燃料电池的阴极侧废气排出；旁通流路，将所述氧化剂气体供给路与所述阴极侧废气排出路连接；及流量调整阀，对从所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体中的、从所述氧化剂气体供给路向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量与从所述氧化剂气体供给路向所述旁通流路供给的所述氧化剂气体的流量的流量比进行调整，作为所述制热用运转控制，所述运转控制部将由所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体的供给量固定在用于实现所述输出要求电流值的供给量，并且通过调整所述流量调整阀，而控制所述燃料电池的工作点成为满足所述要求发热量和所述要求输出的工作点即要求工作点。
通过这种结构，由于将氧化剂气体供给部供给的氧化剂气体的供给量固定，因此能够抑制氧化剂气体供给部的响应性的影响。因此，即使在氧化剂气体供给部的响应性低的情况下，也能够抑制输出响应性及发热响应性的下降。而且，由于将氧化剂气体供给量的固定量形成为用于实现输出要求电流值的供给量，因此能够同时满足缩窄进行制热用运转的电流范围这样的要求和抑制从制热用运转向通常运转过渡时氧化剂气体供给部供给的氧化剂气体供给量的上升量这样的要求。
[适用例3]在适用例2记载的燃料电池系统中，还具备对所述燃料电池的电流值进行测定的电流测定部，所述运转控制部在所述制热用运转控制的开始时以如下方式调整所述流量调整阀：将通过所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体中的、比用于实现所述要求工作点的电流值的所述氧化剂气体的流量少的流量的所述氧化剂气体向所述燃料电池供给；然后，所述运转控制部以如下方式控制所述流量调整阀：在通过所述电流测定部测定的所述燃料电池的电流值比所述要求工作点的电流值大的情况下，减少向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量，在通过所述电流测定部测定的所述燃料电池的电流值比所述要求工作点的电流值小的情况下，增加向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量。
通过这种结构，由于工作点不在电流对电压特性曲线上，因此即使在制热用运转中实际需要的氧化剂气体的流量与用于实现要求工作点的电流值的氧化剂气体的流量不同的情况下，也能够使氧化剂气体的流量增减，以使通过电流测定部测定的燃料电池的电流值与要求工作点的电流值一致，因此能够将适当的量的氧化剂气体向燃料电池供给。
[适用例4]在适用例1至适用例3中任一适用例记载的燃料电池系统中，还具备：燃料电池温度取得部，取得所述燃料电池的温度；及制热空间温度取得部，取得成为所述空调机构的制热对象的空间的温度即制热空间温度，在所述燃料电池的起动时，所述运转控制部执行进行控制以与所述制热用运转控制相比使燃料电池的发电效率更低的起动时预热运转控制，所述运转控制部具有如下的第一制热运转模式：若在执行所述起动时预热运转控制的期间存在对所述空调机构的制热要求，则在所述燃料电池的温度达到了预先确定的预热结束温度之后且所述制热空间温度达到了满足所述制热要求的温度的情况下，使所述起动时预热运转控制结束，所述运转控制部在所述起动时预热运转控制结束之后，比较所述发热要求电流值与所述输出要求电流值，在所述输出要求电流值为所述发热要求电流值以上的情况下，使所述燃料电池在所述电流对电压特性曲线上的工作点工作，在所述输出要求电流值比所述发热要求电流值小的情况下，执行所述制热用运转控制。
通过这种结构，在制热空间温度成为满足制热要求的温度之前执行第一制热运转模式，因此能够在更短期间内使制热空间温度上升。而且，在制热空间温度成为满足制热要求的温度时，将燃料电池的工作点控制成为电流对电压特性曲线上，或者执行制热用运转控制，因此能够供给要求发热量并能够得到满足要求输出的量的输出，从而能够提高输出响应性及发热响应性。
[适用例5]在适用例4记载的燃料电池系统中，还具备用户接口部，除了所述第一制热运转模式之外，所述运转控制部还具有如下的第二制热运转模式：若在执行所述起动时预热运转控制的期间存在对所述空调机构的制热要求，则在所述燃料电池的温度达到了所述预热结束温度的情况下，使所述起动时预热运转控制结束，所述用户接口部允许用户在所述第一制热运转模式及所述第二制热运转模式中指定由所述运转控制部执行的制热运转模式。
通过这种结构，用户通过利用用户接口部，能够指定第一制热运转模式或第二制热运转模式作为起动时预热运转控制中的制热运转模式。因此，例如，通过指定第一制热运转模式，在燃料电池系统的起动时，能够在短期间内使客室内升温。而且，例如，通过指定第二制热运转模式，能够抑制燃料电池系统的起动时的燃料利用率的恶化及输出响应性的恶化。
附图说明
图1是表示作为本发明的一实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。
图2是示意性地表示图1所示的I-Q映射及I-P映射的说明图。
图3是示意性地表示I-Q映射及I-P映射的设定方法的说明图。
图4是表示在燃料电池系统中执行的制热控制处理的步骤的流程图。
图5是表示要求发热量与燃料电池组的废热的关系的说明图。
图6是表示通过步骤S145决定的制热用运转目标工作点的说明图。
图7是示意性地表示运转控制部的功能块和制热预热运转控制的处理内容的说明图。
图8是表示执行制热控制处理中的供给空气量、FC必要空气量及旁通空气量与电流值的关系的说明图。
图9是示意性地表示第二实施例的燃料电池系统起动时的燃料电池组温度、客室温度、及要求发热量的推移例的说明图。
图10是表示搭载了第三实施例的燃料电池系统的电力车辆的概略情况的外观图。
具体实施方式
A.第一实施例：
A1.系统结构：
图1是表示作为本发明的一实施例的燃料电池系统的概略结构的说明图。在本实施例中，燃料电池系统100作为用于供给驱动用电源的系统，而搭载于电力车辆来使用。燃料电池系统100具备燃料电池组10、氢气供给路51、阳极废气排出路52、氢气旁通路53、空气供给路54、阴极废气排出路55、空气旁通路56、氢罐31、截止阀42、氢气供给阀43、净化阀46、循环泵47、空气压缩机32、调压阀45、旁通阀44、第一冷却介质循环路R1、冷却介质旁通流路69、温度传感器16、散热器33、第一电动风扇34、第一冷却介质泵48、热交换机35、三通阀99、第二冷却介质循环路R2、加热器芯36、第二电动风扇37、第二冷却介质泵49、DC-DC转换器210、电流计15、控制单元60。
燃料电池组10具有将单电池层叠多个而成的结构，该单电池是固体高分子型燃料电池且具有MEA（Membrane Electrode Assembly），该燃料电池组10通过作为阳极气体的纯氢与作为阴极气体的空气中包含的氧在各电极发生电化学反应而获得电动势。
氢气供给路51是将氢罐31与燃料电池组10连通而用于将从氢罐31供给的氢气向燃料电池组10引导的流路。阳极废气排出路52是用于从燃料电池组10的阳极排出阳极废气（剩余氢气）的流路。氢气旁通路53是将阳极废气排出路52与氢气供给路51连通而用于使从燃料电池组10排出的氢气（未用于反应的氢气）返回到氢气供给路51的流路。
空气供给路54是将空气压缩机32与燃料电池组10连通而用于将从空气压缩机32供给的压缩空气向燃料电池组10引导的流路。阴极废气排出路55是用于从燃料电池组10的阴极排出阴极废气的流路。阴极废气中，在通常运转时，包括在燃料电池组10中未用于电化学反应的剩余空气和由燃料电池组10中的电化学反应产生的水，在低效率运转时，除了所述剩余空气及生成水之外，还包括在低效率运转时在阴极由于下述式1所示的化学反应而产生的氢（以下，称为“抽吸氢”）。
[数学式1]
2H++2e-→H2···(1)
空气旁通路56是将空气供给路54与阴极废气排出路55连通，而用于将由空气压缩机32供给的空气不经由燃料电池组10而向阴极废气排出路55供给的流路。
氢罐31贮藏高压氢气。截止阀42配置在氢罐31的未图示的氢气排出口，进行氢气的供给及停止。氢气供给阀43配置在氢气供给路51，通过调整阀开度来调整向燃料电池组10供给的氢气的压力及流量。净化阀46是用于将阳极废气与空气合流（稀释）而向大气排出的阀。循环泵47是在氢气旁通路53内用于使氢气从阳极废气排出路52向氢气供给路51流通的泵。
空气压缩机32配置在空气供给路54，对从外部取入的空气进行加压而向燃料电池组10供给。作为空气压缩机32，例如，可以使用叶轮旋转而进行压缩的离心式的压缩机、或动叶（转子）旋转而进行压缩的轴流式的压缩机。调压阀45是用于调整燃料电池组10侧的压力（背压）的阀。旁通阀44是在空气旁通路56中用于调整从空气供给路54向阴极废气排出路55流通的空气量的阀。
第一冷却介质循环路R1是用于通过使作为冷却介质的纯水循环，而将与燃料电池组10的发电相伴的热（废热）通过散热器33及热交换机35排出的流路。第一冷却介质循环路R1具备第一冷却介质流路91、第二冷却介质流路92、第三冷却介质流路93、第四冷却介质流路94。
第一冷却介质流路91将燃料电池组10与散热器33连通，并将从燃料电池组10排出的冷却介质向散热器33引导。第二冷却介质流路92将散热器33与热交换机35及冷却介质旁通流路69连通，并将从散热器33排出的冷却介质向热交换机35或冷却介质旁通流路69引导。第三冷却介质流路93将热交换机35及冷却介质旁通流路69与第一冷却介质泵48连通。第四冷却介质流路94将第一冷却介质泵48与燃料电池组10连通，并将从第一冷却介质泵48送出的冷却介质向燃料电池组10供给。
冷却介质旁通流路69将第二冷却介质流路92与第三冷却介质流路93连通，并使冷却介质不经由热交换机35而从第二冷却介质流路92向第三冷却介质流路93流通。温度传感器16在第一冷却介质流路91中配置在燃料电池组10附近。在本实施例中，采用通过温度传感器16检测到的温度作为以燃料电池组10为代表的温度。散热器33配置在第一冷却介质流路91。第一电动风扇34配置在散热器33的附近，朝向散热器送风。第一冷却介质泵48使冷却介质从第三冷却介质流路93朝向第四冷却介质流路94流通。热交换机35进行通过第二冷却介质流路92的冷却介质的热量与通过第七冷却介质流路97的热量之间的热交换。
三通阀99是用于将从散热器33排出的冷却介质（流过第二冷却介质流路92的冷却介质）向热交换机35和冷却介质旁通流路69中的任一方引导的阀。在燃料电池系统100中，通过三通阀99，来在第一冷却介质循环路R1与第二冷却介质循环路R2之间控制热联系（经由冷却介质的热量的互换）的有无。具体而言，通过使用三通阀99将流过第二冷却介质流路92的冷却介质向热交换机35引导而在第一冷却介质循环路R1与第二冷却介质循环路R2之间实现热联系，通过使用三通阀99将流过第二冷却介质流路92的冷却介质向冷却介质旁通流路69引导而抑制第一冷却介质循环路R1与第二冷却介质循环路R2之间的热联系。
第二冷却介质循环路R2是通过使作为冷却介质的纯水循环，而用于将在热交换机35中得到的热量向加热器芯36供给的流路。第一冷却介质循环路R1具备第五冷却介质流路95、第六冷却介质流路96、第七冷却介质流路97。第五冷却介质流路95将热交换机35与加热器芯36连通，并将从热交换机35排出的冷却介质向加热器芯36供给。第六冷却介质流路96将加热器芯36与第二冷却介质泵49连通，并将从加热器芯36排出的冷却介质向第二冷却介质泵49引导。第七冷却介质流路97将第二冷却介质泵49与热交换机35连通，并将由第二冷却介质泵49送出的冷却介质向热交换机35供给。
加热器芯36是加热用热交换机，借助流过第二冷却介质循环路R2的冷却介质的热量而升温。第二电动风扇37通过对加热器芯36送风，而将通过加热器芯36加热的空气朝向未图示的车室内送出。第二冷却介质泵49使冷却介质从第六冷却介质流路96朝向第七冷却介质流路97流通。
DC-DC转换器210与燃料电池组10及作为负载的电动机200电连接，对燃料电池组10的输出电压进行控制。电流计15测定燃料电池组10的电流值。
控制单元60与空气压缩机32、DC-DC转换器210、各电动风扇34、37、各泵47~49、各阀42~46、99电连接，对这各要素进行控制。而且，控制单元60与电流计15、各温度传感器16、17电连接，从这各要素接收测定值。
控制单元60具备CPU（Central Processing Unit）61、RAM（RandomAccess Memory）62、ROM（Read Only Memory）63。在ROM63中存储有用于控制燃料电池系统100的未图示的控制程序，CPU61通过利用RAM62并执行该控制程序，而作为运转控制部61a、空气压缩机控制部61b、阀控制部61c、制热控制部61d发挥功能。
运转控制部61a通过控制向燃料电池组10供给的反应气体（空气及氢气）的量、及燃料电池组10的电压，而控制燃料电池组10的发电量。燃料电池组10的电压控制通过控制DC-DC转换器210来实现。空气量的控制通过经由空气压缩机控制部61b调整空气压缩机32的转速来实现。氢气量的控制可以通过经由阀控制部61c调整氢气供给阀43的开度来实现。而且，运转控制部61a基于未图示的油门的开度及车速，算出向燃料电池组10的要求输出值。
空气压缩机控制部61b通过控制空气压缩机32的转速，而调整向燃料电池组10供给的空气量。阀控制部61c调整各阀42~46、99的开度。制热控制部61d接受来自用户的制热指示，并进行后述的制热控制处理。
在ROM63中存储有转速映射63a、I-Q映射63b、I-P映射63c、调压阀开度映射63d、旁通阀开度映射63e。转速映射63a是将空气压缩机32的叶轮的转速与从空气压缩机32供给的空气量建立对应的映射，预先通过实验等求出而设定。
图2是示意性地表示图1所示的I-Q映射及I-P映射的说明图。在图2中，上段示意性地表示I-Q映射63b，下段示意性地表示I-P映射63c。在图2上段，横轴表示电流值，纵轴表示发热量。在图2下段，横轴表示电流值，纵轴表示输出（电力量）。
在I-Q映射63b中，将对燃料电池组10的要求发热量Qfc与为了得到所述要求发热量Qfc所需的燃料电池组10的电流值（以下，称为“发热要求电流值”）I0彼此建立对应。而且，在I-P映射63c中，将对燃料电池组10的要求输出Pfc与为了得到所述输出所需的燃料电池组10的电流值（以下，称为“输出要求电流值”）Iref彼此建立对应。
图3是示意性地表示I-Q映射及I-P映射的设定方法的说明图。在图3中，横轴表示燃料电池组10的电流值，纵轴表示燃料电池组10的电压值。在图3中，曲线Lc表示燃料电池组10的I-V特性曲线（电流对电压特性曲线）。而且，曲线Lq表示某要求发热量Qfc的等发热量曲线，曲线Lp表示某要求输出Pfc的等输出曲线。
如图3所示，等发热量曲线（曲线Lq）与I-V特性曲线（曲线Lc）的交点的电流值相当于发热要求电流值I0。而且，等输出曲线（曲线Lp）与I-V特性曲线（曲线Lc）的交点的电流值相当于输出要求电流值Iref。因此，通过预先改变要求发热量并求出等发热量曲线（曲线Lq）与I-V特性曲线（曲线Lc）的交点的电流值，而能够设定I-Q映射63b。同样地，通过预先改变要求输出并求出等输出曲线（曲线Lp）与I-V特性曲线（曲线Lc）的交点的电流值，而能够设定I-P映射63c。
图1所示的调压阀开度映射63d是用于决定调压阀45的开度的映射。在调压阀开度映射63d中，以如下方式进行设定：通过从空气压缩机32供给的空气量（以下，称为“供给空气量”）Aac中的、流过旁通阀44的空气量（以下，称为“旁通空气量”）Abp和向燃料电池组10供给的空气量（以下，称为“FC必要空气量”）Afc，而唯一确定调压阀45的开度。旁通阀开度映射63e是用于决定旁通阀44的开度的映射。在旁通阀开度映射63e中，与调压阀开度映射63d同样地，以通过旁通空气量Abp和FC必要空气量Afc而唯一确定旁通阀44的开度的方式进行设定。
在具备这种结构的燃料电池系统100中，当燃料电池组10进行通常运转时存在制热要求时，通过执行后述的制热控制处理，而能够提高输出响应性及发热响应性。需要说明的是，在本实施例中，燃料电池组10的“通常运转”是指如下状态：充分供给反应气体，燃料电池组10以燃料电池组10的工作点存在于燃料电池组10的I-V特性曲线上的方式运转。而且，发热响应性是指，当存在发热要求时能够满足要求发热量的性能、或从存在发热要求到满足要求发热量为止的期间的长短。
需要说明的是，前述的空气压缩机32相当于技术方案中的氧化剂气体供给部。而且，旁通阀44及调压阀45相当于技术方案中的流量调整阀。
A2.制热控制处理：
图4是表示在燃料电池系统中执行的制热控制处理的步骤的流程图。在燃料电池系统100进行通常运转时，若存在从用户指定温度的制热要求，则开始制热控制处理。需要说明的是，在制热控制处理的开始时，第一冷却介质循环路R1与第二冷却介质循环路R2相互联系。
制热控制部61d取得向燃料电池组10的要求输出值（步骤S100）。运转控制部61a基于油门开度及车速，算出电动机200或辅机（例如，空气压缩机32）的要求能量。制热控制部61d从运转控制部61a取得所述要求能量作为对燃料电池组10的要求输出值。
制热控制部61d决定向燃料电池组10的要求发热量（步骤S105）。对燃料电池组10的要求发热量可以将为了使加热器芯36升温所需的发热量与为了维持燃料电池组10的温度所需的发热量相加而求出。加热器芯36的升温用的发热量可以基于用户指定的车室内温度、外气温度、换气率（室内气和室外气的利用率）、日射量、从窗的散热量等，通过公知的方法来求出。而且，用于维持燃料电池组10的温度的必要发热量可以基于燃料电池组10的温度及外气温度，通过公知的方法来求出。
制热控制部61d决定燃料电池组10的运转模式的切换电流值Is（步骤S110）。在燃料电池系统100中，设定通常运转模式及制热用运转模式作为执行制热控制处理时的燃料电池组10的运转模式，如后述那样根据燃料电池组10的电流值来切换运转模式。在此，在燃料电池系统100中，由于使用发热要求电流值I0作为切换电流值Is，因此制热控制部61d参照I-Q映射63b，基于通过步骤S105决定的要求发热量Qfc而能够决定切换电流值Is（即，发热要求电流值I0）。
制热控制部61d决定通常工作点（步骤S115）。通常工作点是指通过用于满足要求输出值的燃料电池组10的电流值（输出要求电流值Iref）及电压值（以下，称为“输出要求电压值Vref”）而确定的工作点。制热控制部61d从运转控制部61a获得要求输出值，基于所述要求输出值，参照I-P映射63c来决定输出要求电流值Iref，通过将决定的输出要求电流值Iref除以要求输出值，来决定输出要求电压值Vref。
制热控制部61d判定在步骤S115中决定的输出要求电流值Iref是否小于在步骤S110中决定的切换电流值Is（步骤S120）。
图5是表示要求发热量与燃料电池组的废热的关系的说明图。在图5中，上段表示输出要求电流值Iref为发热要求电流值I0以上时的要求发热量及燃料电池组的废热，下段表示输出要求电流值Iref比发热要求电流值I0小时的要求发热量及燃料电池组的废热。图5的横轴及纵轴与图3的横轴及纵轴相同。图5上段的曲线Lq1及下段的曲线Lq1均表示要求发热量为发热量Qfc1的等发热量曲线。图5上段的曲线Lp1是要求输出值Pfc1的等输出曲线，曲线Lp2是要求曲线Pfc2的等输出曲线。图5上段及下段的曲线Lc表示燃料电池组10的I-V特性曲线。图5上段及下段的单点划线表示的理论电动势Vth是每一个单电池的最大电动势（例如，1.23V）乘以构成燃料电池组10的电池数而得到的电压。
例如图5上段所示，在对燃料电池组10的要求输出为由曲线Lp 1表示的输出值Pfc1的情况下，燃料电池组10的通常运转时的工作点成为曲线Lc与曲线Lp1的交点即工作点p11，此时的电流值为Iref（1），电压值为Vref（1）。燃料电池组10在工作点p11进行动作时的废热量Qp成为与图5上段的实线包围的面积相当的热量，由以下的式2表示。
[数学式2]
Qp＝Iref(1)*(Vth-Vref(1))···(2)
此时，对燃料电池组10的要求发热量为由曲线Lq1表示的热量Qfc 1，且燃料电池组10进行通常运转（即，工作点处于I-V特性曲线上）时，满足要求发热量的工作点成为曲线Lc与曲线Lq1的交点即工作点p21（I0（1）,V0（1））。此时，要求发热量Qq成为与图5上段的虚线包围的面积相当的热量，由以下的式3表示。
[数学式3]
Qq＝I0(1)*(Vth-V0(1))···(3)
如图5上段所示，在工作点p11的电流值即输出要求电流值Iref（1）为发热要求电流值I0（1）以上时，废热量Qp成为要求发热量Qq以上。这是由随着电流值增加而电压值下降这样的燃料电池组10的I-V特性（曲线Lc的形状）引起的。这种情况下，使燃料电池组10的工作点沿着I-V特性曲线（曲线Lc）移动，并向作为目标工作点的工作点p11移动，由此通过燃料电池组10的废热而能够充分地供给要求发热量Qq。
另一方面，例如图5下段所示，对燃料电池组10的要求发热量是与图5的上段相同的要求发热量Qq，在发热要求电流值为电流值I0（1）的情况下，对燃料电池组10的要求输出为由曲线Lp2表示的输出值Pfc2时，燃料电池组10的通常运转时的工作点成为曲线Lc与曲线Lp2的交点即工作点p21（Iref（2），Vref（2））。燃料电池组10在工作点p21进行动作时的废热量Qp成为图5下段的实线包围的面积，由以下的式4表示。
[数学式4]
Qp＝Iref(2)*(Vth-Vref(2))···(4)
如图5下段所示，在工作点p21的电流值即输出要求电流值Iref（2）小于发热要求电流值I0（1）时，废热量Qp也小于要求发热量Qq。这是由燃料电池组10的I-V特性引起的。这种情况下，即便使燃料电池组10的工作点沿着I-V特性曲线（曲线Lc）移动并移动到工作点p11，燃料电池组10的废热也无法满足要求发热量Qq。
因此，在燃料电池系统100中，在步骤S120中，将发热要求电流值I0作为切换电流值Is，并将输出要求电流值Iref与切换电流值Is（发热要求电流值I0）进行比较，在输出要求电流值Iref为切换电流值Is（发热要求电流值I0）以上时，如后述那样，进行通常运转而使燃料电池组10的工作点沿着I-V特性曲线移动。另一方面，在输出要求电流值Iref小于切换电流值Is（发热要求电流值I0）时，进行后述的制热用运转而供给要求发热量。
在前述的步骤S120中，在判定为输出要求电流值Iref在切换电流值Is以上时（步骤S120为否），制热控制部61d控制运转控制部61a而进行通常运转控制（步骤S125），制热控制部61d进行制热控制（步骤S130）。在通常运转控制中，运转控制部61a以使燃料电池组10的工作点从当前的工作点向在步骤S115中决定的通常工作点移动的方式控制反应气体的供给量并控制燃料电池组10的电压。在制热控制中，制热控制部61d通过控制第二冷却介质泵49的流量及第二电动风扇37的转速，而控制经由冷却介质向加热器芯36供给的热量，从而将客室内加热至指定温度。
在步骤S130之后，制热控制部61d判定制热要求是否为OFF（步骤S135），在制热要求不为OFF时返回步骤S100，在制热要求为OFF时结束制热控制处理。在下一次以后执行步骤S100以后的处理时，由于指定温度的变化而要求发热量与前一次执行时相比存在改变的可能性，或由于油门踏入量的变化等而要求输出与前一次执行时相比存在改变的可能性。因此，在下一次以后，在步骤S120中可能判定为输出要求电流值Iref小于切换电流值Is。
在前述的步骤S120中，在判定为输出要求电流值Iref小于切换电流值Is时（步骤S120为是），制热控制部61d决定后述的制热用运转时的目标工作点（以下，称为“制热用运转目标工作点”）（步骤S145）。具体而言，将同时满足要求发热量和要求输出的工作点作为制热用运转目标工作点。需要说明的是，该制热用运转目标工作点相当于技术方案中的要求工作点。
图6是表示通过步骤S145决定的制热用运转目标工作点的说明图。在图6中，横轴及纵轴与图5的横轴及纵轴相同。而且，图6的曲线Lc、Lp2、Lq1与图5下段所示的曲线Lc、Lp2、Lq1分别相同。在对燃料电池组10的要求输出Pfc是由曲线Lp2表示的输出值，且要求发热量Qfc是由曲线Lq1表示的热量时，运转控制部61a将2条曲线Lp2、Lq1的交点即工作点P2（Iref’，Vref’）决定为制热用运转目标工作点。具体而言，通过下述式5，求出电流值Iref’，使用得到的Iref’，通过下述式6求出电压值Vref’。
[数学式5]
Iref′＝(Qfc+Pfc)/Vth···(5)
[数学式6]
Vref′＝Pfc/Iref′···(6)
在图4所示的步骤S145中，当决定制热用运转目标工作点时，制热控制部61d控制运转控制部61a而进行制热用运转控制（步骤S150），制热控制部61d进行制热控制（步骤S155）。步骤S155的处理与步骤S130的处理相同。
图7是示意性地表示运转控制部的功能块和制热预热运转控制的处理内容的说明图。如图7所示，运转控制部61a具备FC必要空气量计算部71、空气压缩机流量计算部81、转换器电压控制部98、调压阀开度决定部72、旁通阀开度决定部82、反馈量决定部74、调压阀开度指令部73、旁通阀开度指令部83、空气压缩机流量指令部84。
FC必要空气量计算部71是在制热用运转时计算燃料电池组10所需的空气量（FC必要空气量Afc）的功能部。空气压缩机流量计算部81是计算供给空气量Aac的功能部。转换器电压控制部98是控制DC-DC转换器而控制燃料电池组10的电压的功能部。调压阀开度决定部72是基于调压阀开度映射63d而决定调压阀45的开度的功能部。旁通阀开度决定部82是基于旁通阀开度映射63e而决定旁通阀44的开度的功能部。
反馈量决定部74是基于FC指令电流值（即，制热用运转目标工作点的电流值Iref’）与从电流计15通知的测定电流值的差量而决定由调压阀开度决定部72决定的调压阀45的开度的校正量（反馈量）的功能部。调压阀开度指令部73是将由调压阀开度决定部72决定的调压阀45的开度与由反馈量决定部74决定的反馈量相加来决定调压阀45的目标开度，并向阀控制部61c通知的功能部。旁通阀开度指令部83是将由旁通阀开度决定部82决定的旁通阀44的开度向阀控制部61c通知的功能部。空气压缩机流量指令部84是将由空气压缩机流量计算部81决定的供给空气量Aac向空气压缩机控制部61b通知的功能部。
FC必要空气量计算部71使用在步骤S145中决定的制热用运转目标工作点的电流值Iref’，基于下述式7来计算FC必要空气量Afc。在式7中，常数“n”表示燃料电池组10具有的单电池的个数。而且，常数“22.4”是用于将空气量（摩尔）换算成体积（升）的系数，常数“60”是用于将分换算成秒的系数，常数“96500”是法拉第常数，常数“0.21”是空气中的氧含有率。而且，如式7所示，在FC必要空气量Afc的计算中，使用常数“1.0”作为空气化学计量比。
[数学式7]
Figure BDA00002314705500181
空气压缩机流量计算部81使用在步骤S110中决定的切换电流值Is（发热要求电流值I0），基于下述式8来计算供给空气量Aac。式8中的各常数的值除了空气化学计量比之外与式7的各常数相同。在供给空气量Aac的计算中，使用预先设定为通常运转时的空气化学计量比的值作为空气化学计量比。在式8中，使用“1.4”作为通常运转时的空气化学计量比。需要说明的是，可采用任意的值作为空气化学计量比。
[数学式8]
Figure BDA00002314705500182
空气压缩机流量指令部84为了供给如前述那样算出的供给空气量Aac，而经由空气压缩机控制部61b来控制空气压缩机32。如上述式8所示，在求出供给空气量Aac时使用的电流值是切换电流值Is即发热要求电流值I0，因此空气压缩机32不将燃料电池组10的目标工作点作为制热用运转目标工作点（图6中的工作点P2），而是作为I-V特性曲线（曲线Lc）与要求发热量Qfc的等发热曲线（曲线Lq1）的交点（图6中的工作点P1（I0，V0））来供给空气。这种情况下，由于发热要求电流值I0大于制热用运转目标工作点的电流值Iref’，因此供给空气量Aac比FC必要空气量Afc多。
调压阀开度决定部72通过从空气压缩机流量计算部81算出的供给空气量Aac减去FC必要空气量计算部71算出的FC必要空气量Afc，来求出旁通空气量Abp，并基于该旁通空气量Abp和FC必要空气量Afc，参照调压阀开度映射63d来决定调压阀45的开度而向调压阀开度指令部73通知。调压阀开度指令部73基于从调压阀开度决定部72通知的开度和从反馈量决定部74通知的校正开度，决定调压阀45的开度，并对图1所示的阀控制部61c指示开度。当初未从反馈量决定部74通知校正开度，因此调压阀45的开度被调整成通过调压阀开度决定部72决定的开度。
反馈量决定部74定期地进行电流计15的测定电流值与FC指令电流值（电流值Iref’）的比较及调压阀45开度的校正值的决定，并将决定的开度校正值向调压阀开度指令部73通知。具体而言，预先将根据测定电流值与电流值Iref’的电流值的差量而设定校正值的未图示的表存储于ROM63，反馈量决定部74参照所述表决定校正值而向调压阀开度指令部73通知。在此，在根据测定电流值与电流值Iref’的电流值的差量而预先设定校正值的表中，当测定电流值比电流值Iref’小时，设定将调压阀45的开度增大的校正值，且设定电流差越大而越增大开度那样的校正值。而且，在测定电流值比电流值Iref’大时，设定减小调压阀45的开度那样的校正值，且设定电流差越大而越减小开度那样的校正值。基于如此设定的校正值，调整调压阀45的开度，因此能够将燃料电池组10的工作点控制成为制热用运转目标工作点（图6所示的工作点P2（Iref’，Vref’））。
在此，未从当初开始将FC必要空气量Afc设定为用于实现制热用运转目标工作点的电流值Iref’的理论上的空气量（空气化学计量比1.4的理论上的空气量），而设定为将空气化学计量比设定成1.0时的空气量（比理论上的空气量少的空气量），然后，通过反馈控制进行调整的是基于以下的理由。作为空气化学计量比而预先设定的值（本实施例中的“1.4”）是在通常运转时，即，燃料电池组10的工作点处于I-V特性曲线上时，将各单电池所需的空气量作为能够供给的值而预先设定的值。因此，如制热用运转时那样工作点不在I-V特性曲线上而产生浓度过电压的状况下，使用以通常运转为前提而设定的空气化学计量比时，可能无法供给适当的空气量（过剩地供给空气）作为FC必要空气量Afc。因此，当初将空气化学计量比设定为1.0而将FC必要空气量Afc形成为比较少的量，然后，以测定电流值接近目标工作点的电流值Iref’的方式调整调压阀45，由此供给适当的空气量作为FC必要空气量Afc。
旁通阀开度决定部82通过从空气压缩机流量计算部81算出的供给空气量Aac减去FC必要空气量计算部71算出的FC必要空气量Afc，而求出旁通空气量Abp，基于该旁通空气量Abp和FC必要空气量Afc，参照旁通阀开度映射63e，决定旁通阀44的开度而向旁通阀开度指令部83通知。旁通阀开度指令部83基于从旁通阀开度决定部82通知的开度，决定旁通阀44的开度，对图1所示的阀控制部61c指示开度。因此，旁通阀44的开度被调整成通过旁通阀开度决定部82决定的开度。
转换器电压控制部98将在步骤S145中决定的制热用运转目标工作点的电压值Vref’向DC-DC转换器210通知，因此DC-DC转换器210将燃料电池组10的电压调整成电压值Vref’。
在执行了图4所示的制热控制（步骤S155）之后，运转控制部61a判定制热要求是否成为OFF（步骤S160），在制热要求不为OFF时返回步骤S100，在制热要求成为OFF时，结束制热控制处理。
图8是表示执行制热控制处理中的供给空气量、FC必要空气量及旁通空气量与电流值的关系的说明图。在图8中，下段表示执行制热控制处理中的供给空气量Aac、FC必要空气量Afc及旁通空气量Abp与电流值的关系。需要说明的是，为了便于说明，在图8上段记载了与图6相同的图。
在图8下段，横轴表示燃料电池组10的电流值，纵轴表示空气流量。而且，在图8下段，粗实线表示空气压缩机32的供给空气量Aac，粗虚线表示FC必要空气量Afc。需要说明的是，在电流值为发热要求电流值I0（切换电流值Is）以上时，FC必要空气量Afc与供给空气量Aac一致。在图8下段，单点划线的线Ll表示通常运转时空气化学计量比为1.0的情况下的燃料电池组10的电流与FC必要空气量Afc的关系。在图8下段，双点划线的线Lh表示通常运转时空气化学计量比为1.4的情况下的燃料电池组10的电流与FC必要空气量Afc的关系。
如图8下段所示，在燃料电池组10的电流值比切换电流值Is（发热要求电流值I0）小时，即，执行制热用运转时，无论燃料电池组10的电流值的大小如何，供给空气量Aac都恒定为空气量Aq1。这是由于以下的理由。通过使供给空气量Aac恒定为空气量Aq1，在目标工作点为发热要求电流值I0（切换电流值Is）以下时，无需使供给空气量Aac变化。这是由于，其结果是，在目标工作点改变而使FC必要空气量Afc变化时，能够抑制空气压缩机32的响应性的影响，因此即使在空气压缩机32的响应性低的情况下，也能够提高燃料电池组10的输出响应性及发热响应性。因此，例如，即使制热用运转时油门踏入量增加的情况下，在空气压缩机32的转速保持恒定的状态下能够使FC必要空气量增加，因此能够提高输出响应性。
另外，使用电流值为发热要求电流值I0的I-V特性曲线上的工作点的空气量Aq1作为使供给空气量Aac形成为恒定时的值，是由于以下的理由。在恒定为用于实现比发热要求电流值I0高的电流值的空气量时，进行制热用运转的电流范围变宽，因此与通常运转控制相比，进行作为复杂的控制的制热用运转控制的机会升高，可能会导致输出响应性及发热响应性的恶化。而且，在恒定为用于实现比发热要求电流值I0低的电流值的转速时，伴随着要求输出的增加而从制热用运转向通常运转过渡时的空气压缩机32的转速的上升量增加。因此，即使这种情况下，在空气压缩机32的响应性低时，空气量调整的响应性也恶化，从而可能会导致输出响应性及发热响应性的恶化。因此，作为将供给空气量Aac形成为恒定时的值，通过采用电流值为发热要求电流值I0的I-V特性曲线上的工作点的空气量Aq1，同时满足缩窄进行制热用运转的电流范围这样的要求和抑制从制热用运转向通常运转过渡时的空气压缩机32的转速的上升量（供给空气量Aac的上升量）这样的要求。
如图8下段所示，在制热用运转开始的时刻，FC必要空气量Afc是线Ll上的点P31的空气量Aq2，旁通空气量Apb成为空气量Aq1与空气量Aq2的差量的空气量。然后，在执行制热用运转中，在目标工作点的电流值上升时，FC必要空气量Afc随着从化学计量比1.0的线Ll离开而逐渐增加。并且，在目标电流值为切换电流值Is（发热要求电流值I0）以上时，FC必要空气量Afc与供给空气量Aac一致。
在此，在制热用运转中，在实现浓度过电压时，在各单电池的阴极产生抽吸氢。在起动时的预热运转中，由于要求发热量大（例如，90kW），因此产生的抽吸氢量多，因此必须考虑用于稀释抽吸氢的空气量来决定旁通空气量Abp。相对于此，由于制热要求的要求发热量小（例如，5kW），因此产生的抽吸氢量也少。因此，通过从供给空气量Aac减去FC必要空气量Afc而得到的空气量（旁通空气量），能够充分地稀释抽吸氢。因而，在燃料电池系统100中，在制热用运转时，不计算抽吸氢量的稀释所需的空气量，由此简化处理而提高空气调整量的响应性。
如图8上段所示，在制热用运转开始的时刻，燃料电池组10的工作点为工作点P2，然后，在要求发热量恒定的状态下要求输出增加时，工作点沿着要求发热量Qfc的等发热曲线（曲线Lq1）移动。在目标电流值Iref超过切换电流值Is（发热要求电流值I0）时，进行通常运转，燃料电池组10的工作点沿着I-V特性曲线（曲线Lc）移动。
如以上说明那样，在第一实施例的燃料电池系统100中，判定输出要求电流值Iref是否小于发热要求电流值I0，在输出要求电流值Iref为发热要求电流值I0以上时，进行通常运转，因此无需制热控制用的复杂的控制，能够提高输出响应性及发热响应性。而且，在输出要求电流值Iref为发热要求电流值I0以上时，能够得到要求输出，从而能够提高输出响应性。而且，在输出要求电流值Iref为发热要求电流值I0以上时，通常运转产生的燃料电池组10的废热量大于要求发热量。因此，从燃料电池组10的废热能够得到满足要求发热量的热量，因此能够提高发热响应性。
另外，在输出要求电流值Iref小于发热要求电流值I0时，进行制热用运转，控制成为比通常运转的发电效率低（即，发热效率高）的工作点，因此从燃料电池组10的废热能够得到满足要求发热量的热量。而且，设定同时满足要求发热量和要求输出的工作点作为目标工作点来控制空气量及电压，因此能够提高发热响应性及输出响应性。而且，在制热用运转中，使空气压缩机32的转速恒定，因此能够抑制空气压缩机32的响应性的影响。因此，即使在使用了响应性低的空气压缩机的情况下，也能够提高输出响应性及发热响应性。
另外，在制热用运转时，由于使供给空气量Aac恒定为电流值为发热要求电流值I0的I-V特性曲线上的工作点的供给空气量Aac，因此能够同时满足缩窄进行制热用运转的电流范围这样的要求和抑制从制热用运转向通常运转过渡时的空气压缩机32的转速的上升量这样的要求。因此，能够实现制热控制的简化及空气量调整的响应性的提高，因此能够提高燃料电池组10的输出响应性及发热响应性。
另外，在输出要求电流值Iref比发热要求电流值I0小时执行的制热用运转中，将兼顾要求输出和要求发热量这两者的工作点设定作为制热用运转目标工作点，因此能够提高输出响应性及发热响应性。
另外，由于省略了算出用于对通过制热用运转产生的抽吸氢进行稀释的空气量的处理，因此与执行所述处理的结构相比，能够提高空气量调整的响应性。
另外，未从当初开始将FC必要空气量Afc设定为用于实现制热用运转目标工作点的电流值Iref’的理论上的空气量，而在当初设定比理论上的空气量少的空气量，然后，通过反馈控制进行调整，因此即使在工作点不在I-V特性曲线上而产生浓度过电压的状况下，也能够供给适当的空气量作为FC必要空气量Afc。
B.第二实施例：
第二实施例的燃料电池系统在后述的起动时预热运转时存在制热要求的情况下，取代立即开始制热控制处理，而在客室温度达到规定的温度之前进行起动时预热运转，在客室温度成为规定的温度以上时执行制热控制处理这一点上，与第一实施例的燃料电池系统100不同，其他的结构与第一实施例相同。
在第二实施例的燃料电池系统中，在冰点下的起动时，为了使燃料电池的动作温度上升而接近能够高效地发电的温度范围（例如，60℃~80℃）而进行预热运转。此时的预热运转（以下，称为“起动时预热运转”）中，为了使发热量更大（即，为了使浓度过电压更大），将比第一实施例的制热用运转的发电效率低的工作点设定作为目标工作点。该起动时预热运转由发电效率的下降引起，在燃料利用率恶化这一点、燃料电池组10的输出低于要求输出时这一点、调整空气压缩机32的转速而使向燃料电池组10供给的空气量变化得更大这一点、不进行反馈控制这一点等，与第一实施例的制热用运转不同，其他的处理与制热用运转相同。需要说明的是，作为起动时预热运转，可以采用在燃料电池组10的起动时执行的公知的预热运转。
图9是示意性地表示第二实施例的燃料电池系统的起动时的燃料电池组温度、客室温度、及废热量的推移例的说明图。图9上段表示起动时的燃料电池组10的温度的推移例。图9中段表示在起动时预热运转中存在制热要求时的客室温度的推移例。在图9下段，起动时预热运转中存在制热要求时的对燃料电池组10的要求发热量的推移例由实线表示，没有制热要求时的对燃料电池组10的要求发热量的推移例由虚线表示。在图9的各段，横轴表示时刻。而且，图9上段的纵轴表示燃料电池组10的温度，图9中段的纵轴表示客室温度，图9下段的纵轴表示对燃料电池组10的要求发热量。
在第二实施例的燃料电池系统中，设定+60℃作为预热目标温度，如图9上段所示，燃料电池组10的温度从起动时的-20℃上升，在时刻t1达到预热目标温度（+60℃）。在第二实施例的燃料电池系统中，没有制热要求时的结束起动时预热运转的时间如图9下段的虚线所示，是达到预热目标温度的时刻t1。如图9下段所示，在没有制热要求时，燃料电池系统在时刻t1以后执行制热用控制处理而得到为了使燃料电池组10保持适当温度所需的能量（保温能量）。
相对于此，在起动时预热运转中存在制热要求时，在时刻t1，进行第一冷却介质循环路R1与第二冷却介质循环路R2的联系，将燃料电池组10的废热利用于制热。此时，与没有制热要求的情况不同，起动时预热运转未结束。如图9中段所示，客室温度在超过时刻t1时，从起动时的-20℃急剧上升，在时刻t2，达到制热要求的指定温度即+25℃。
在燃料电池系统100中，监控客室温度，在达到了指定温度时使起动时预热结束，执行制热控制处理。因此，如图9下段所示，通过从时刻t1到时刻t2的起动时预热运转而产生的燃料电池组10的废热被利用作为制热用的空调能量和燃料电池组10的保温能量。然后，在时刻t2以后，通过制热控制处理产生的燃料电池组10的废热被利用作为制热用的空调能量（室温维持能量）和燃料电池组10的保温能量。
如此，在客室温度达到指定温度之前继续起动时预热运转，在客室温度达到了指定温度时开始制热用运转是基于以下的理由。理由是，在起动时预热运转中，与制热用运转相比，能得到更大的发热量，因此在客室温度达到指定温度之前继续起动时预热运转，由此在更短期间内能使客室温度上升至指定温度。而且，理由是，在客室温度达到了指定温度之后，客室温度的维持所需的热量和燃料电池组10的保温用的热量比较少，因此通过执行制热用运转，能够提高燃料电池组10的输出响应性及发热响应性。
以上说明的第二实施例的燃料电池系统具有与第一实施例的燃料电池系统100同样的效果。而且，在客室温度达到指定温度之前继续起动时预热运转，由此在更短期间内能够使客室温度上升至指定温度。而且，在客室温度达到了指定温度之后，通过执行制热用运转，而能够提高输出响应性及发热响应性。
C.第三实施例：
图10是表示搭载了第三实施例的燃料电池系统的电力车辆的概略情况的外观图。第三实施例的电力车辆EV具备车室CA、前部座席111、后部座席112、操作面板SP。前部座席111及后部座席112配置在车室CA的内部。操作面板SP配置在驾驶席前表面，具备最大升温开关SW。
第三实施例的燃料电池系统与第二实施例的燃料电池系统的不同之处在于，具备第二实施例中叙述的在客室温度达到指定温度的时刻结束起动时预热运转而执行制热控制处理的模式（以下，称为“最大升温模式”）和在燃料电池组10的温度达到了能够进行高效率运转的规定温度（例如，+60℃）的时刻结束起动时预热运转而执行制热控制处理的模式（以下，称为“燃料利用率优先模式”）作为起动时预热运转时的制热运转模式这一点、具备最大升温开关SW这一点，其他的结构与第二实施例的燃料电池系统相同。需要说明的是，最大升温开关SW相当于技术方案中的用户接口部。而且，最大升温模式相当于技术方案中的第一制热运转模式，燃料利用率优先模式相当于技术方案中的第二制热运转模式。
最大升温开关SW是用于指定最大升温模式作为起动时预热运转时的制热运转模式的最大升温开关SW。驾驶员（乘员）在起动时预热运转时执行制热要求之际，按压该最大升温开关SW而指定最大升温模式，由此能够在更短期间内将客室加热。然而，如在第二实施例中叙述那样，在最大升温模式中，由于使燃料电池组10的发热量更大而燃料利用率和输出响应性恶化。因此，在不希望燃料利用率恶化和输出响应性恶化时，驾驶员（乘员）不按压最大升温开关SW。这种情况下，执行燃料利用率优先模式，因此在燃料电池组10的温度达到了预热目标温度之后，执行在第一实施例中叙述的制热控制处理。
以上说明的第三实施例的燃料电池系统具有与第二实施例的燃料电池系统同样的效果。而且，在第三实施例的燃料电池系统中，设定最大升温模式和燃料利用率优先模式作为起动时预热运转时的制热运转模式，而且，电力车辆EV具备用于指定最大升温模式的最大升温开关SW，因此驾驶员（乘员）在制热要求时按下最大升温开关SW，从而在起动时能够指定在更短期间内将客室内加热。而且，通过不按下最大升温开关SW，而能够抑制起动时的燃料利用率的恶化及输出响应性的恶化。
D.变形例：
需要说明的是，上述各实施例的结构要素中的、独立权利要求所要求的要素以外的要素是附加的要素，可以适当省略。而且，本发明并不局限于上述的实施例或实施方式，在不脱离其宗旨的范围内能够以各种方式来实施，例如也能够进行如下的变形。
D1.变形例1：
在第三实施例中，为了使起动时预热运转时的制热运转成为最大升温模式，而需要按下最大升温开关SW，但本发明并未限定于此。例如，作为制热要求的指定温度，在指定了可指定的最高温度时，可以设为最大升温模式，在指定了最高温度以外的温度时，可以设为燃料利用率优先模式。通过这种结构，可以省略最大升温开关SW，能够抑制电力车辆EV的制造成本。
另外，也可以采用如下的结构：例如，在通过驾驶员（乘员）来执行制热要求时，测定客室内的温度，在客室温度比规定的温度（例如，-10℃）低时，设为最大升温模式，在客室温度为规定的温度以上时，设为燃料利用率优先模式。在客室内为非常低的低温时，大多要求在更短期间内将客室内加热。因此，通过上述的结构，驾驶员（乘员）不用特意进行开关操作，而能够将制热运转设为最大升温模式，因此能够提高驾驶员（乘员）的便利性。
D2.变形例2：
在各实施例中，制热用运转时的FC必要空气量Afc在当初设为以空气化学计量比为1.0算出的流量，然后，根据制热用运转目标工作点的电流值Iref’和测定电流值来调整空气量，但本发明并未限定于此。可以采用如下的结构：预先通过实验等求出在制热用运转时电流值成为电流值Iref’时的最优空气化学计量比并存储于ROM63，使用所述空气化学计量比来算出FC必要空气量Afc。在该结构中，基于算出的FC必要空气量Afc而决定调压阀45的开度时，能够将该决定的调压阀45的开度固定，因此能够省略反馈控制而简化空气量调整用的处理，从而能够提高空气量调整的响应性。
D3.变形例3：
在第二、三实施例中，在没有制热要求时，起动时预热运转结束的情况是燃料电池组10的温度成为+60℃的情况（燃料电池组10的废热成为了90kW的情况），但也可以取代+60℃而采用任意的温度（任意的发热量）。而且，在第二、三实施例中，第一冷却介质循环路R1及第二冷却介质循环路R2进行热联系的温度与没有制热要求的情况的起动时预热运转结束温度一致，但也可以将其取代，而形成为比起动时预热运转结束温度低或高的温度。
另外，在第二、三实施例中，起动时预热运转结束的时刻与电力车辆能够运转的时刻一致，但也可以将其取代，将电力车辆能够运转的时刻设为起动时预热运转结束的时刻之前。例如，也可以在燃料电池组10的温度达到了能够确保电力车辆移动用的必要最低限度的输出的温度（例如，+30℃）的时刻使电力车辆能够运转，在达到了更高的温度（例如，+60℃）的时刻使起动时预热运转结束。通过这种结构，能够从更早的时刻开始使电力车辆为能够运转的状态。
D4.变形例4：
在各实施例中，为了控制FC必要空气量Afc与旁通空气量Abp的流量比，而使用了旁通阀44及调压阀45，但也可以仅通过任一方进行控制。在所述结构中，为了控制流量比而使用的一个阀相当于技术方案中的流量调整阀。即，通常，在本发明的燃料电池系统中可以采用对从氧化剂气体供给部供给的氧化剂气体中的、从氧化剂气体供给路朝向燃料电池供给的氧化剂气体的流量与从氧化剂气体供给路朝向旁通流路供给的氧化剂气体的流量的流量比进行调整的流量调整阀。
D5.变形例5：
在各实施例执行的制热控制处理中，在输出要求电流值Iref比切换电流值Is小时，执行了制热用运转控制，但也可以采用取代制热用运转控制而执行起动时预热运转控制的结构。在该结构中，在输出要求电流值Iref为切换电流值Is以上时执行通常运转，因此无论输出要求电流值Iref的大小如何，与始终执行起动时制热运转控制的结构相比，能够简化控制，从而能够提高燃料电池组10的输出响应性及发热响应性。即，在本发明的燃料电池系统中能够采用通常在输出要求电流值比发热要求电流值（切换电流值）小时，将燃料电池的工作点控制成发电效率比处于燃料电池的电流对电压特性曲线上时低的工作点的运转控制部。
D6.变形例6：
在各实施例中，燃料电池系统搭载于电力车辆而使用，但也可以将其取代，也可以适用于混合动力机动车、船舶、机器人等各种移动体。而且，也可以使用燃料电池组10作为固定型电源，并将燃料电池系统适用于大楼或一般住宅等建筑物的制热系统。
D7.变形例7：
在各实施例中，使用空气作为氧化剂气体，但也可以取代空气而使用含氧的任意的气体作为氧化剂气体。
D8.变形例8：
在上述实施例中，也可以将通过软件实现的结构的一部分置换为硬件。而且，与之相反，也可以将通过硬件实现的结构的一部分置换为软件。
标号说明
10…燃料电池组，15…电流计，16…温度传感器，31…氢罐，32…空气压缩机，33…散热器，34…第一电动风扇，35…热交换机，36…加热器芯，37…第二电动风扇，42…截止阀，43…氢气供给阀，44…旁通阀，45…调压阀，6…净化阀，47…循环泵，48…第一冷却介质泵，49…第二冷却介质泵，51…氢气供给路，52…阳极废气排出路，53…空气供给路，54…空气供给路，55…阴极废气排出路，56…空气旁通路，60…控制单元，61…CPU，61a…运转控制部，61b…空气压缩机控制部，61c…阀控制部，61d…制热控制部，62…RAM，63…ROM，63a…转速映射，63b…I-Q映射，63c…I-P映射，63d…调压阀开度映射，63e…旁通阀开度映射，91…第一冷却介质流路，92…第二冷却介质流路，93…第三冷却介质流路，94…第四冷却介质流路，95…第五冷却介质流路，96…第六冷却介质流路，97…第七冷却介质流路，69…冷却介质旁通流路，71…FC必要空气量计算部，72…调压阀开度决定部，73…调压阀开度指令部，74…反馈量决定部，81…空气压缩机流量计算部，82…旁通阀开度决定部，83…旁通阀开度指令部，84…空气压缩机流量指令部，98…转换器电压控制部，99…三通阀，100…燃料电池系统，111…前部座席，112…后部座席，200…电动机，CA…车室，SP…操作面板，EV…电力车辆，SW…最大升温开关

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
运转控制部，对所述燃料电池的运转进行控制；及
空调机构，利用所述燃料电池的废热进行制热，
所述燃料电池在所述燃料电池的电流对电压特性曲线上的工作点进行运转的通常运转时，在存在对所述空调机构的制热要求的情况下，所述运转控制部比较在所述电流对电压特性曲线上且满足对所述燃料电池的要求发热量的工作点的电流值即发热要求电流值、与在所述电流对电压特性曲线上且满足对所述燃料电池的要求输出的工作点的电流值即输出要求电流值，
在所述输出要求电流值为所述发热要求电流值以上的情况下，所述运转控制部使所述燃料电池在所述电流对电压特性曲线上的工作点工作，在所述输出要求电流值比所述发热要求电流值小的情况下，所述运转控制部执行控制所述燃料电池的工作点成为与处于所述燃料电池的电流对电压特性曲线上时相比发电效率低的工作点的制热用运转控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还具备：
氧化剂气体供给部，将所述燃料电池的发电所利用的氧化剂气体向所述燃料电池供给；
氧化剂气体供给路，将所述氧化剂气体供给部与所述燃料电池连通；
阴极侧废气排出路，将所述燃料电池的阴极侧废气排出；
旁通流路，将所述氧化剂气体供给路与所述阴极侧废气排出路连接；及
流量调整阀，对从所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体中的、从所述氧化剂气体供给路向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量与从所述氧化剂气体供给路向所述旁通流路供给的所述氧化剂气体的流量的流量比进行调整，
作为所述制热用运转控制，所述运转控制部将由所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体的供给量固定在用于实现所述输出要求电流值的供给量，并且通过调整所述流量调整阀，而控制所述燃料电池的工作点成为满足所述要求发热量和所述要求输出的工作点即要求工作点。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，
还具备对所述燃料电池的电流值进行测定的电流测定部，
所述运转控制部在所述制热用运转控制的开始时以如下方式调整所述流量调整阀：将通过所述氧化剂气体供给部供给的所述氧化剂气体中的、比用于实现所述要求工作点的电流值的所述氧化剂气体的流量少的流量的所述氧化剂气体向所述燃料电池供给；然后，所述运转控制部以如下方式控制所述流量调整阀：在通过所述电流测定部测定的所述燃料电池的电流值比所述要求工作点的电流值大的情况下，减少向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量，在通过所述电流测定部测定的所述燃料电池的电流值比所述要求工作点的电流值小的情况下，增加向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的流量。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池系统，还具备：
燃料电池温度取得部，取得所述燃料电池的温度；及
制热空间温度取得部，取得成为所述空调机构的制热对象的空间的温度即制热空间温度，
在所述燃料电池的起动时，所述运转控制部执行进行控制以与所述制热用运转控制相比使燃料电池的发电效率更低的起动时预热运转控制，
所述运转控制部具有如下的第一制热运转模式：若在执行所述起动时预热运转控制的期间存在对所述空调机构的制热要求，则在所述燃料电池的温度达到了预先确定的预热结束温度之后且所述制热空间温度达到了满足所述制热要求的温度的情况下，使所述起动时预热运转控制结束，
所述运转控制部在所述起动时预热运转控制结束之后，比较所述发热要求电流值与所述输出要求电流值，在所述输出要求电流值为所述发热要求电流值以上的情况下，使所述燃料电池在所述电流对电压特性曲线上的工作点工作，在所述输出要求电流值比所述发热要求电流值小的情况下，执行所述制热用运转控制。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，
还具备用户接口部，
除了所述第一制热运转模式之外，所述运转控制部还具有如下的第二制热运转模式：若在执行所述起动时预热运转控制的期间存在对所述空调机构的制热要求，则在所述燃料电池的温度达到了所述预热结束温度的情况下，使所述起动时预热运转控制结束，
所述用户接口部允许用户在所述第一制热运转模式及所述第二制热运转模式中指定由所述运转控制部执行的制热运转模式。
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