JP2007242531A

JP2007242531A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007242531A
Application number: JP2006066056A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】加熱手段へ電力を供給する電力供給源の容量が不足する場合にも、電力不足に陥ることなく、システムの暖機を行う。
【解決手段】制御部５０は、ヒータＨnによって加熱される加熱部位の温度に応じて、このヒータＨnに対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、ヒータＨn毎に行う。この場合、制御手段である制御部５０は、複数のヒータＨnの中から、電源オンの指示対象となる対象ヒータＨnを特定する。そして、制御部５０は、この特定された対象ヒータＨnのそれぞれの消費電力の総和である総消費電力Ｐtotalと、二次電池４から供給可能な最大電力Ｐmaxとを比較し、この比較結果に基づいて、対象ヒータＨnのそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、低温時の始動に際して実行される暖機処理に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載され、この車両を駆動する電動モータの電源として使用される。この類の燃料電池システムでは、例えば、低温時には、凍結による反応ガス流路の目詰まりや調圧弁の固着等により、燃料電池システムを始動できないという問題があるため、環境に左右されずに始動を行えることが重要となる。このため、低温始動時には、加熱手段によってシステムの各所を加熱する暖機処理を行う手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４１８５号公報

ところで、暖機を有効に行うためには、加熱手段を各所に設けることが好ましいが、加熱手段の数が増えると、加熱手段の消費電力が増大する。そのため、各所に設けられた加熱手段に対して電源オンを指示した場合には、これらの消費電力が、この加熱手段に電力を供給する電力供給源の容量を上回り、電力不足のために暖機処理を行うことができない可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱手段へ電力を供給する電力供給源の容量が不足する場合にも、電力不足に陥ることなく、システムの暖機を行う燃料電池システムを提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を生成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、複数の加熱手段と、電力供給手段と、温度検出手段と、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、複数の加熱手段は、それぞれが異なる加熱部位に設けられており、電源オンが指示されることにより加熱部位をそれぞれ加熱する。電源供給手段は、加熱手段のそれぞれに対して電力を供給する。温度検出手段は、加熱部位のそれぞれの温度を検出する。制御手段は、加熱手段によって加熱される加熱部位の温度に応じて、この加熱手段に対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、加熱手段毎に行う。この場合、制御手段は、複数の加熱手段の中から、電源オンの指示対象となる対象加熱手段を特定し、この特定された対象加熱手段のそれぞれの消費電力の総和である総消費電力と、電力供給手段から供給可能な最大電力とを比較し、この比較結果に基づいて、対象加熱手段のそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを指示する。

本発明によれば、総消費電力と、最大電力との量的な比較を行い、この比較結果に基づいて、対象加熱手段の電源状態を制御することができるので、総消費電力が最大電力を上回るといったケースにおいて、電力不足に陥るといった事態が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システムの暖気を行うことができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を用いるケースについて説明する。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１以外にも、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系４０とが備えられている。

水素系１０において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１１（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ１２によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブ１２は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部５０によってその開度が制御される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素供給流路Ｌ1の燃料電池スタック１近傍に設けられた水素圧力センサ１５によって検出される。

燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ2へと排出される。この水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素調圧バルブ１２よりも下流側の水素供給流路Ｌ1に接続されており、水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ１３が設けられている。この水素循環ポンプ１３を駆動することにより、燃料極側からの排出ガスはその供給側へと循環され、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。水素循環ポンプ１３の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部５０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、水素系内のガスを排出する水素排出流路Ｌ3が接続されている。水素排出流路Ｌ3には、パージバルブ１４が設けられており、このパージバルブ１４の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ2を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージバルブ１４は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部５０によって制御される。パージバルブ１４は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって加圧され、空気供給流路Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ4には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ5を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ5には、空気調圧バルブ２２が設けられている。空気調圧バルブ２２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御部５０によって制御される。燃料電池スタック１に供給される空気圧力は、空気供給流路Ｌ4の燃料電池スタック１の近傍に設けられた空気圧力センサ２７によって検出される。

また、空気系２０のコンプレッサ２１には、コンプレッサ２１を冷却する冷却手段が設けられている。この冷却手段は、冷媒を冷却するラジエータ２３と、コンプレッサ２１とラジエータ２３との間で冷媒（例えば、冷却水）を循環させるコンプレッサ冷却流路Ｌ6とを主体に構成されている。コンプレッサ冷却流路Ｌ6には、冷媒を循環させる空気系冷媒循環ポンプ２４が設けられている。ラジエータ２３によって冷却された冷媒は、空気系冷媒循環ポンプ２４を駆動させることにより、コンプレッサ２１側へと供給される。コンプレッサ２１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、ラジエータ３２へと再度供給され、これにより、冷媒が冷却される。空気系冷媒循環ポンプ２４の駆動量（回転数）は、コンプレッサ冷却流路Ｌ6を循環する冷媒の温度が所望の値となるように、制御部５０によって制御される。コンプレッサ冷却流路Ｌ6における冷媒の温度は、この流路に設けられた空気系冷媒温度センサ３０によって検出される。

冷却系４０は、燃料電池スタック１を冷却する冷媒（本実施形態では、冷却水）が循環するスタック冷却流路Ｌ７を有しており、このスタック冷却流路Ｌ7には、冷媒を冷却するラジエータ４１と、冷媒を循環させる冷却系冷媒循環ポンプ４２とが設けられている。ラジエータ４１によって冷却された冷媒は、冷却系冷媒循環ポンプ４２を駆動することにより、燃料電池スタック１側へと供給される。スタック冷却流路Ｌ7は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘り冷却されるようになっている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、スタック冷却流路Ｌ７を経由して、ラジエータ４１へと再度供給される。冷却系冷媒循環ポンプ４２の駆動量（回転数）は、スタック冷却流路Ｌ7を循環する冷媒の温度が所望の値となるように、制御部５０によって制御される。スタック冷却流路Ｌ7における冷媒の温度は、この流路に設けられた冷却系冷媒温度センサ４４によって検出される。

また、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出装置２が接続されている。出力取出装置２は、制御部５０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電流）を取り出して、この取り出した出力を負荷装置３（例えば、車両を駆動する電動モータ）や、燃料電池システムを動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１３、コンプレッサ２１等）に供給する。また、燃料電池システムには、システムの始動時に電源としての機能を担ったり、過渡応答時などに燃料電池スタック１から取り出される電力の不足を補ったりするための二次電池４が備えられている。この二次電池４には、必要に応じて、燃料電池スタック１によって生成された電力が充電される。

さらに、燃料電池システムには、システムの各部を加熱するためのヒータが複数取り付けられている。これらのヒータは、低温時に、凍結等が生じ得るようなシステムの部位（加熱部位）に設けられている。水素系１０において、水素循環流路Ｌ2には、３つのヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ15が設けられており、これらのヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ15は、水素循環流路Ｌ2をそれぞれ加熱する。水素循環ポンプ１３には、ヒータＨ12が設けられており、このヒータＨ12は、水素循環ポンプ１３を加熱する。水素圧力センサ１５が取り付けられる水素循環流路Ｌ2の取付ブロックには、ヒータＨ14が設けられており、このヒータＨ14は、水素圧力センサ１５を加熱する。また、水素排出流路Ｌ3には、２つのヒータＨ16，Ｈ17が設けられており、これらのヒータＨ16，Ｈ17は、水素排出流路Ｌ2をそれぞれ加熱する。パージバルブ１４には、ヒータＨ18が設けられており、このヒータＨ18は、パージバルブ１４を加熱する。

また、空気系２０において、空気供給流路Ｌ4には、２つのヒータＨ21，Ｈ22が設けられており、これらのヒータＨ21，Ｈ22は、空気供給流路Ｌ4を加熱する。空気圧力センサ２７が取り付けられる空気供給流路Ｌ4の取付ブロックには、ヒータＨ23が設けられており、このヒータＨ23は、空気圧力センサ２７を加熱する。また、空気調圧バルブ２２には、２つのヒータＨ24，Ｈ25が設けられており、これらのヒータＨ24，Ｈ25は、空気調圧バルブ２２を加熱する。さらに、冷却系４０において、スタック冷却流路Ｌ7には、３つのヒータＨ41〜Ｈ43が設けられており、これらのヒータＨ41〜Ｈ43は、スタック冷却流路Ｌ7を加熱する。これらのヒータＨn（ｎ＝１１〜１７，２１〜２５，４１〜４３）は、低温状態のシステム始動時に、電源オンが指示されることにより、個々のヒータＨnが設けられた加熱部位を加熱する。これらのヒータＨnは、その電源状態が制御部５０によって制御されており、二次電池４から供給される電力によって動作する。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部５０は、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。制御部５０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素の圧力・流量制御、空気の圧力・流量制御、および、冷媒の温度制御に関する演算を行う。そして、制御部５０は、この演算によって算出された制御量に応じた制御信号を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブ１２の開度、空気調圧バルブ２２の開度、水素循環ポンプ１３の回転数、コンプレッサ２１の回転数などを制御する。

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御部５０は、低温環境下でのシステム始動時には、ヒータＨnに対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、ヒータＨn毎に行い、燃料電池システムの各加熱部位を加熱する暖機処理を行う。この暖気処理を行う前提として、制御部５０には、各種センサからの検出信号が入力されている。

ここで、第１の水素系温度センサ１６は、水素圧力センサ１５の取付ブロックに設けられており、水素圧力センサ１５の温度を検出する。第１の水素系温度センサ１６の検出結果は、水素圧力センサ１５を加熱するヒータＨ14の制御を行う際に参照される。第２の水素系温度センサ１７は、燃料電池スタック１近傍の水素循環流路Ｌ2に設けられており、水素循環流路Ｌ2の温度を検出することにより、水素循環流路Ｌ2の温度とともに、この水素循環流路Ｌ2と位置的に近い水素排出流路Ｌ3とパージバルブ１４の温度とを検出するセンサである。この第２の水素系温度センサ１７の検出結果は、水素循環流路Ｌ2を加熱するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ15、水素排出流路Ｌ2を加熱するヒータＨ16，Ｈ17、および、パージバルブ１４を加熱するヒータＨ18のそれぞれの制御を行う際に参照される。第３の水素系温度センサ１８は、水素循環ポンプ１３に設けられており、水素循環ポンプ１３の温度を検出するセンサである。この第３の水素系温度センサ１８の検出結果は、水素循環ポンプ１３を加熱するヒータＨ12の制御を行う際に参照される。

また、第１の空気系温度センサ２６は、コンプレッサ２１よりも下流側の空気供給流路Ｌ4に設けられており、空気供給流路Ｌ4の温度を検出するセンサである。この第１の空気系温度センサ２６の検出結果は、空気供給流路Ｌ4を加熱するヒータＨ21，Ｈ22のそれぞれの制御を行う際に参照される。第２の空気系温度センサ２８は、空気圧力センサ２７の取り付けブロックに設けられており、空気圧力センサ２７の温度を検出する。第２の空気系温度センサ２８の検出結果は、空気圧力センサ２７を加熱するヒータＨ23の制御を行う際に参照される。第３の空気系温度センサ２９は、空気排出流路Ｌ5の燃料電池スタック１近傍に設けられており、空気排出流路Ｌ5の温度を検出することにより、空気調圧バルブ２２の温度を検出するセンサである。この第３の空気系温度センサ２９の検出結果は、空気調圧バルブ２２を加熱するヒータＨ24，Ｈ25のそれぞれの制御を行う際に参照される。さらに、冷却系温度センサ４３は、スタック冷却流路Ｌ7に設けられており、スタック冷却流路Ｌ7の温度を検出するセンサである。この冷却系温度センサ４３の検出結果は、スタック冷却流路Ｌ７を加熱するヒータＨ41〜Ｈ43のそれぞれの制御を行う際に参照される。外気温センサ５１は、外気の温度を検出するセンサである。

以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、システムの始動時に実行される暖気処理を説明する。図２は、第１の実施形態にかかる暖気処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システムの始動時に読み込まれ、制御部５０によって実行される。

ステップ１０において、外気温センサ５１によって検出される外気温Ｔoutが読み込まれ、この外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutth以下であるか否かが判断される。この外気温判定値Ｔoutthは、ヒータ加熱による暖機処理を行う必要があるような、外気の低温状態を判定するための判定値であり、例えば、システムに凍結等が生じ得るような外気温度の上限値（例えば、２℃）が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。このステップ１０において否定判定された場合、すなわち、外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutthよりも大きい場合には（Ｔout＞Ｔoutth）、暖機処理を終了する。一方、ステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutth以下の場合には（Ｔout≦Ｔoutth）、ステップ１１に進む。

ステップ１１において、電源オンの指示対象となる対象ヒータＨnの消費電力の総和（以下「総消費電力」という）Ｐtotalが算出される。このステップ１１の処理では、まず、電源オンの指示対象となる対象ヒータＨnが特定される。具体的には、第１から第３の水素系温度センサ１６〜１８、第1から第３の空気系温度センサ２６〜２９、および、冷却系温度センサ４３の検出値がそれぞれ読み込まれる。読み込まれたそれぞれの検出値を参照し、個々の加熱部位毎に、その温度が制御開始温度以下であるか否かが判断される。この制御開始温度は、ヒータＨnによる加熱が必要と認められるような温度の上限値が、実験やシミュレーションを通じて定められたものであり、加熱部位の温度が制御開始温度以下となっている場合には、その加熱部位を加熱すべく、当該加熱部位に該当するヒータＨnに対して電源オンが指示されることとなる。例えば、第２の水素系温度センサ１７による検出値が制御開始温度以下である場合には、この第２の水素系温度センサ１７によって温度が検出される加熱部位、すなわち、水素循環流路Ｌ2、水素排出流路Ｌ3およびパージバルブ１４を加熱するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ15，Ｈ16〜Ｈ18が、対象ヒータＨnとして特定されることとなる。このようにして対象ヒータＨnが特定されると、個々の対象ヒータＨnの和が総消費電力Ｐtotalとして算出される。本実施形態において、個々のヒータＨnは、電源オンが指示された場合、定格電力で動作するようになっている。そのため、対象ヒータＨnの定格電力の総和を求めることにより、総消費電力Ｐtotalが算出される。

ステップ１２において、算出された総消費電力Ｐtotalが、二次電池４から供給可能な最大電力、すなわち、二次電池４の電源容量Ｐmax以下であるか否かが判断される。二次電池４の電源容量Ｐmaxは、実験やシミュレーションを通じ取得することができるので、制御部５０は、これを内部データとして保持しておき、必要に応じて、この値を読み出す。本実施形態において、二次電池４は、最大で１２個のヒータＨnを同時に電源オンすることができる程度の電源容量Ｐmaxを有するものとする。ステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、総消費電力Ｐtotalが二次電池４の電源容量Ｐmax以下の場合には（Ｐtotal≦Ｐmax）、ステップ１３に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、総消費電力Ｐtotalが二次電池４の電源容量Ｐmaxよりも大きい場合には（Ｐtotal＞Ｐmax）、ステップ１４に進む。

ステップ１３において、通常の温度調節制御が実行される。具体的には、ステップ１１において特定された各対象ヒータＨnに対して電源オンが指示される。これにより、個々の対象ヒータＨnは電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。また、制御部５０は、対象ヒータＨn毎に、以下に示す制御を行う。まず、対象ヒータＨnによって加熱される加熱部位の温度を温度センサから読み込む。そして、この読み込まれた温度が、予め定められた目標温度へと到達した場合には、対象ヒータＨnに対して電源オフが指示される。これにより、対象ヒータＨnは電源がオフ状態となり、加熱部位の加熱が停止される。また、読み込まれた温度が制御開始温度以下となった場合には、対象ヒータＨnに対して電源オンが指示される。この温度調節制御は、ステップ１３の処理の開始とともにスタートされたタイマの経過時間を参照し、予め定められた時間（例えば、目標温度へ到達する時間が最も遅い加熱部位の温度が目標温度へと到達するまでに要する時間）が経過することにより終了し、暖機処理を終了する。

ステップ１４において、特定されたそれぞれの対象ヒータＨnがグループに分類される。このステップ１４の処理は、以下に示す手順１，２の順番で進行する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池システムに設けられている全てのヒータＨn（１６個）が対象ヒータＨnとして特定されているものとする。

（手順１）ヒータグループの分類
まず、対象ヒータＨnが、同一の系統に設けられたヒータＨnを構成単位とするヒータグループ１〜５に分類される。ヒータグループ１は、水素循環系のヒータＨnを含むグループであり、ヒータＨ11〜Ｈ15がこれに該当する。ヒータグループ２は、水素排出系のヒータＨnを含むグループであり、ヒータＨ16〜Ｈ18がこれに該当する。ヒータグループ３は、空気供給系のヒータＨnを含むグループであり、ヒータＨ21〜Ｈ23がこれに該当する。ヒータグループ４は、空気排出系のヒータＨnを含むグループであり、ヒータＨ24，Ｈ25がこれに該当する。ヒータグループ５は、スタック冷却系のヒータＨnを含むグループであり、ヒータＨ41〜Ｈ43がこれに該当する。制御部５０は、個々の対象ヒータＨnを処理対象として、ヒータグループ１〜５のいずれかに分類する。

（手順２）制御グループの分類
つぎに、個々のヒータグループ１〜５を処理対象として、グループ内の対象ヒータＨnを複数の制御グループに分類する。ヒータグループ内に含まれる対象ヒータＨnは、以下に示すルールに従って、個々の制御グループに分類される。第１に、同一のヒータグループ内において、ある対象ヒータＨnと、この対象ヒータＨnからの熱影響を受ける加熱部位を加熱する対象ヒータＨnとが、異なる制御グループに分類される。すなわち、ある対象ヒータＨnに対して電源オンを指示することにより、この対象ヒータＨnの発熱にともない、その温度が所定値（例えば、２℃）以上上昇する他の対象ヒータＨnを特定し、これらの対象ヒータＨnが互いに異なる制御グループに分類される。第２に、同一のヒータグループ内において、他の対象ヒータＨnからの熱影響を受けない対象ヒータＨnは、独立したグループに分類される。

図３は、ヒータグループ１において、熱影響を受けるヒータＨ11〜Ｈ15の関係と、制御グループの一例とを示す説明図である。同図において、「○」は、個々のヒータＨnが熱影響を受ける、すなわち、どちらか一方のヒータＨnに対して電源オンが指示された場合に、そのヒータＨnが熱源として作用することにより、他方のヒータＨn（具体的には、このヒータＨnによって加熱される加熱部位）が２℃以上温度上昇することを示す。また、「×」は、個々のヒータＨnの熱影響がないことを示す。同図（ａ）に示すように、例えば、ヒータＨ11を基準に考えた場合、このヒータＨ11は、ヒータＨ12，Ｈ15からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ13，Ｈ14からの熱影響を受けない関係にある。また、ヒータＨ14は、他のヒータＨ11，Ｈ12，Ｈ13，Ｈ15のいずれからも熱影響を受けない関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループ１は、同図（ｂ）に示すように、ヒータＨ11，Ｈ13を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ12，Ｈ15を含む制御グループ（Ｂグループ）と、ヒータＨ14を含む制御グループ（その他）とに分類される。制御部５０は、同図（ａ）に示すような、熱影響を受けるヒータＨ11〜Ｈ15の関係を内部データとして保持しており、この内部データを参照した上で、ヒータグループ１に含まれる対象ヒータＨnを対象として、これらを制御グループに分類する。

なお、図３（ｂ）に示す制御グループは、ヒータＨ11を基準に分類した結果であり、これ以外にも制御グループの分類は可能である。例えば、ヒータＨ12を基準に考えた場合、このヒータＨ12は、ヒータＨ11，Ｈ13からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ14，Ｈ15からの熱影響を受けない関係にある。なお、ヒータＨ14は、他のヒータＨ11，Ｈ12，Ｈ13，Ｈ15のいずれからも熱影響を受けない関係にある。この場合、ヒータグループ１は、図４（ａ）に示すように、ヒータＨ12，Ｈ15を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ11，Ｈ13を含む制御グループ（Ｂグループ）と、ヒータＨ14を含む制御グループ（その他）とに分類することができる。これと同様に、ヒータＨ13を基準に考えた場合、ヒータグループ１は、図４（ｂ）に示すように、ヒータＨ13，Ｈ11，Ｈ15を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ12を含む制御グループ（Ｂグループ）と、ヒータＨ14を含む制御グループ（その他）とに分類することができる。また、ヒータＨ15を基準に考えた場合、ヒータグループ１は、図４（ｃ）に示すように、ヒータＨ15，Ｈ12，Ｈ13を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ11を含む制御グループ（Ｂグループ）と、ヒータＨ14を含む制御グループ（その他）とに分類することができる。このように、制御グループの分類は、複数のパターンが考えられるが、ヒータグループ１に含まれるヒータＨnのそれぞれに優先順位を付与しておき、対象ヒータＨnとして選択されているヒータＨnのうち、優先順位の高いヒータＨnを基準として制御グループの分類を行うことが好ましい。

ただし、上述した図４（ｂ）と図４（c）の制御グループ分けは、図３（ｂ）の制御グループ分けと、図４（a）の制御グループ分けと同じになる。具体的には、図４（ｂ）の分類のＡグループを見ると、ヒータH11とヒータH15は互いに熱影響を受ける関係にあるが、同じＡグループに分類されており、この場合、第１の分類ルールを満たしていない。このような場合には、もう一度分類を行うこととする。具体的には、ヒータＨ11を基準にして、ヒータＨ11とヒータＨ15を分類すると、図３（ｂ）に示す制御グループと同じとなる。また、図４（ｃ）の分類のＡグループを見ると、ヒータＨ12とヒータＨ13は互いに熱影響を受ける関係にあるが、同じＡグループに分類されており、この場合、第１の分類ルールを満たしていない。このような場合には、もう一度分類を行うこととする。具体的には、例えば、ヒータＨ12を基準として、ヒータＨ12とヒータＨ13とを分類すると、図４（ａ）に示す制御グループと同じとなる。

図５は、ヒータグループ２において、熱影響を受けるヒータＨ16〜Ｈ18の関係と、制御グループの一例とを示す説明図である。ヒータグループ２においても、個々の対象ヒータＨnは、ヒータグループ１と同様の概念に従って制御グループに分類される。同図（ａ）に示すように、例えば、ヒータＨ16を基準に考えた場合、このヒータＨ16は、ヒータＨ18からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ17からの熱影響を受けない関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループ２は、同図（ｂ）に示すように、例えば、ヒータＨ16，Ｈ17を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ18を含む制御グループ（Ｂグループ）とに分類される。

図６は、ヒータグループ３において、熱影響を受けるヒータＨ21〜Ｈ23の関係と、制御グループの一例とを示す説明図である。ヒータグループ３においても、個々の対象ヒータＨnは、ヒータグループ１と同様の概念に従って制御グループに分類される。同図（ａ）に示すように、例えば、ヒータＨ21を基準に考えた場合、このヒータＨ21は、ヒータＨ22からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ23からの熱影響を受けない関係にある。なお、ヒータＨ23は、他のヒータＨ21，Ｈ22のいずれからも熱影響を受けない関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループ３は、同図（ｂ）に示すように、例えば、ヒータＨ21を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ22を含む制御グループ（Ｂグループ）と、ヒータＨ23を含む制御グループ（その他）とに分類される。

図７は、ヒータグループ４において、熱影響を受けるヒータＨ24，Ｈ25の関係と、制御グループの一例とを示す説明図である。ヒータグループ４においても、個々の対象ヒータＨnは、ヒータグループ１と同様の概念に従って制御グループに分類される。同図（ａ）に示すように、例えば、ヒータＨ24を基準に考えた場合、このヒータＨ24は、ヒータＨ25からの熱影響を受ける関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループ４は、同図（ｂ）に示すように、例えば、ヒータＨ24を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ25を含む制御グループ（Ｂグループ）とに分類される。

図８は、ヒータグループ５において、熱影響を受けるヒータＨ41〜Ｈ23の関係と、制御グループの一例とを示す説明図である。ヒータグループ５においても、個々の対象ヒータＨnは、ヒータグループ１と同様の概念に従って制御グループに分類される。同図（ａ）に示すように、例えば、ヒータＨ41を基準に考えた場合、このヒータＨ41は、ヒータＨ42からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ43からの熱影響を受けない関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループ５は、同図（ｂ）に示すように、例えば、ヒータＨ41，Ｈ43を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ42を含む制御グループ（Ｂグループ）とに分類される。

ステップ１５において、所定の周期でリセットされるタイマがスタートされる。

ステップ１６において、制御グループ毎に温度調節制御が行われる。具体的には、各ヒータグループ１〜５において、それぞれ分類された制御グループのうち、Ａグループに分類された対象ヒータＨnに対して電源オンの指示が行われる。これにより、Ａグループに該当する個々の対象ヒータＨnは電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。この際、Ｂグループに分類された対象ヒータＨnには電源オンが指示されていないので、それらのヒータＨnの電源はオフ状態のままとなる。そして、タイマの経過時間を参照し、このタイマがリセットされた段階で、制御グループのうち、Ａグループに分類された対象ヒータＨnに対して電源オフの指示が行われるとともに、Ｂグループに分類された対象ヒータＨnに対して電源オンの指示が行われる。これにより、Ｂグループに該当する個々の対象ヒータＨnは電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。また、Ａグループに該当する対象ヒータＨnは電源がオフ状態となる。

また、各ヒータグループ１〜５において、分類された制御グループのうち、その他のグループに分類された対象ヒータＨnは、ステップ１３に示すように、通常の温度調節制御が行われる。すなわち、加熱部位の温度を検出する温度センサの検出値に応じて、対象ヒータＨnに対して電源オンまたは電源オフの指示が行われる。このステップ１６における処理は、ステップ１６の処理の開始とともにスタートされたタイマの経過時間を参照し、予め定められた時間が経過することにより終了される。

このように本実施形態において、燃料電池スタック１を備えた燃料電池システムは、複数の加熱手段と、電源供給手段と、温度検出手段と、制御手段とを有している。ここで、複数の加熱手段は、それぞれが異なる加熱部位に設けられており、電源オンが指示されることにより加熱部位をそれぞれ加熱するものであり、本実施形態では、ヒータＨnがこれに該当する。電力供給手段は、ヒータＨnのそれぞれに対して電力を供給するものであり、本実施形態では、二次電池４がこれに該当する。温度検出手段は、加熱部位のそれぞれの温度を検出するものであり、本実施形態では、温度センサ１６，１７，２６，２８，２９，４３がこれに該当する。制御手段は、ヒータＨnによって加熱される加熱部位の温度に応じて、このヒータＨnに対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、ヒータＨn毎に行うものであり、本実施形態では、制御部５０がこれに該当する。この場合、制御手段である制御部５０は、複数のヒータＨnの中から、電源オンの指示対象となる対象ヒータＨnを特定する。そして、制御部５０は、この特定された対象ヒータＨnのそれぞれの消費電力の総和である総消費電力Ｐtotalと、二次電池４から供給可能な最大電力Ｐmaxとを比較し、この比較結果に基づいて、対象ヒータＨnのそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを指示する。

かかる構成によれば、総消費電力Ｐtotalと、最大電力Ｐmaxとの量的な比較を行い、この比較結果に基づいて、対象ヒータＨnの電源状態を制御することができるので、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmaxを上回るといったケースにおいて、電力不足に陥るといった事態が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システムの暖気を行うことができる。

また、本実施形態において、制御部５０は、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmaxよりも大きい場合には、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmax以下となるように、対象ヒータＨnのそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを選択的に指示する。また、制御部５０は、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmax以下の場合には、対象ヒータＨnによって加熱される加熱部位の温度に応じて、この対象ヒータＨnに対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、対象ヒータＨn毎に行う。かかる構成によれば、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmaxよりも大きい場合には、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmax以下となるように、対象ヒータＨnの電源状態が選択的にオン・オフされるので、電力不足に陥ることなく、暖機処理を行うことができる。

また、本実施形態において、制御部５０は、総消費電力Ｐtotalが最大電力Ｐmaxよりも大きい場合には、対象ヒータＨnのそれぞれを２つ以上のグループに分類し、この分類されたグループ毎に、対象ヒータＨnに対して電源オンを指示する期間をオフセットさせながら周期的に切り替える。これにより、電力不足に陥るといった不都合を解消しつつ、システム上の各加熱部位を加熱することができるので、燃料電池システムの暖機を有効に行うことができる。

また、本実施形態において、制御部５０は、対象ヒータＨnのそれぞれのうち、第１の加熱部位を加熱する第１の対象ヒータＨnと、この第１の対象ヒータＨnからの熱影響を受ける第２の加熱部位を加熱する第２の対象ヒータＨnとを異なるグループに分類する。換言すれば、制御部５０は、対象ヒータＨnのそれぞれのうち、第１の加熱部位を加熱する第１の対象ヒータＨnと、この第１の対象ヒータＨnの発熱に伴い温度が上昇する第２の加熱部位を加熱する第２の対象ヒータＨnとを異なるグループに分類する。これにより、一方のグループに該当する対象ヒータＨnからの熱が伝搬し、他方のグループに該当する対象ヒータＨnによって加熱される加熱部位の温度が上昇する。そのため、これらのグループ毎に対象ヒータＨnの電源状態をオン・オフで切り替えることにより、個々の加熱部位を所望とする温度まで上昇させることが可能となる。なぜなら、一方のグループ（Ａグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオンで、他方のグループ（Ｂグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオフの場合、Ｂグループに該当する対象ヒータＨnの加熱部位は、Ａグループに該当する対象ヒータＨnから熱影響を受けているため、温度低下速度が遅くなる。また、一方のグループ（Ａグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオンで、他方のグループ（Ｂグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオフの場合、Ａグループに該当する対象ヒータＨnの加熱部位は、Ｂグループに該当する対象ヒータＨnから熱影響を受けているため、温度低下速度が遅くなる。これにより、図９に示すように、個々の加熱部位は、対象ヒータＨnがオン状態の温度上昇速度よりも、対象ヒータＨnがオフ状態の温度下降速度が遅くなるので、各加熱部位の温度は次第に所望とする温度まで上昇するようになる。このように、燃料電池システムでは、反応ガスの供給流路を介して、或いは、レイアウト上の位置関係に応じて、ヒータＨnの熱影響が与えられやすいので、上述したように、熱影響を考慮することにより、暖機処理を効果的に行うことができる。

さらに、本実施形態において、制御部５０は、対象ヒータＨnのそれぞれのうち、他の対象ヒータＨnからの熱影響を受けない第３の加熱部位を加熱する第３の対象ヒータＨnに対して、第３の加熱部位の温度に応じて、電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を行う。他の対象ヒータＨnからの熱影響を受けない第３の加熱部位を加熱する第３の対象ヒータＨnは、上述した制御を行ったとして、温度が次第に低下してしまう可能性があるが、これらの加熱部位において、その温度に応じて温度調節制御を行うことにより、この部位を所望の温度へと上昇させることができる。これにより、システム全体の暖機を有効に行うことができる。

なお、上述した実施形態に示す対象ヒータＨnの分類は一例であり、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、全てのヒータＨnを一つのヒータグループとした上で、或いは、全てのヒータＨnを２つヒータグループに分類した上で、この熱影響を考慮して、制御グループの分類を行ってもよい。ただし、ヒータグループの数が少ないと、すなわち、ヒータグループに含まれる対象ヒータＨnの数が多くなると、その後の制御グループへの分類において、一方の制御グループへとヒータＨnが偏重して分類される可能性がある。

図１０は、ヒータグループの一例を示す説明図である。同図に示すように、ヒータグループは、空気の供給系のヒータＨ21〜Ｈ23、冷媒の燃料電池スタック１の入口側のヒータＨ41〜Ｈ43、水素圧力センサ１５のヒータＨ14を含む。このヒータグループの熱影響は、例えば、図１０（ａ）に示すような関係にある。この場合、例えば、ヒータＨ21を基準に考えた場合、このヒータＨ21は、ヒータＨ22からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ23，Ｈ41，Ｈ42，Ｈ43，Ｈ14からの熱影響を受けない関係にある。このような熱影響を考慮すると、ヒータグループは、同図（ｂ）に示すように、ヒータＨ21，Ｈ23，Ｈ41，Ｈ42，Ｈ43，Ｈ14を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ22を含む制御グループ（Ｂグループ）とに分類される。

この場合には、一方の制御グループ（Ａグループ）に分類されたヒータＨ23，Ｈ41，Ｈ42，Ｈ43，Ｈ14のうち、ヒータＨ41，Ｈ42，Ｈ43，Ｈ14を対象として、さらに分類を行えばよい。ここで、ヒータＨ41を基準に考えた場合、このヒータＨ41は、ヒータＨ42，Ｈ14からの熱影響を受ける関係にあり、ヒータＨ43からの熱影響を受けない関係にある。このような熱影響をさらに考慮すると、ヒータグループは、同図（ｃ）に示すように、ヒータＨ21，Ｈ23，Ｈ41，Ｈ43を含む制御グループ（Ａグループ）と、ヒータＨ22，Ｈ42，Ｈ14を含む制御グループ（Ｂグループ）とに分類される。なお、第１のヒータ分類ルールに従うと、同図（ｃ）において、ヒータＨ23は、Ｈ21から見ると互いに熱影響を受けない関係なので同じＡグループに分類することができるが、ヒータH41からみると互いに熱影響を受けるので同じＡグループに分類することができない。このような対象ヒータＨnは、どちらのグループにおいても問題なく昇温可能なので、どちらのグループに分類してもよく、本実施形態では、Aグループに分類されている。このような再分類を行うことにより、個々の制御グループに分散されるヒータ数が均一化されるので、電力不足といった事態の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態に示すように、ヒータグループの数を予め多く設定することにより、その後の、制御グループへの分類において、制御グループへの偏重した分類は、先のケースよりも少なくなる。そのため、電力不足といった事態の発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第２の実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、加熱部位の熱容量に応じた暖機処理を行う点である。なお、本実施形態のシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。

図１１は、第２の実施形態にかかる暖気処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ２０において、外気温センサ５１によって検出される外気温Ｔoutが読み込まれ、この外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutth以下か否かが判断される。このステップ２０において否定判定された場合、すなわち、外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutthよりも大きい場合には（Ｔout＞Ｔoutth）、ステップ２１以降の処理をスキップして、暖機処理を終了する。一方、ステップ２０において肯定判定された場合、すなわち、外気温Ｔoutが外気温判定値Ｔoutth以下の場合には（Ｔout≦Ｔoutth）、ステップ２１に進む。

ステップ２１において、対象ヒータＨnの総消費電力Ｐtotalが算出される。このステップ２１の処理では、第１の実施形態と同様に、第１から第３の水素系温度センサ１６〜１８、第1から第３の空気系温度センサ２６〜２９、および、冷却系温度センサ４３の検出値を読み込み、加熱部位の温度が制御開始温度以下となっているか否かが判断される。そして、この判断結果に応じて、対象ヒータＨnが特定される。対象ヒータＨnが特定されると、対象ヒータＨnの総消費電力Ｐtotalが算出される。

ステップ２２において、算出された総消費電力Ｐtotalが二次電池４の電源容量Ｐmax以下であるか否かが判断される。二次電池４の電源容量Ｐmaxは、実験やシミュレーションを通じ取得することができるので、制御部５０は、これを内部データとして保持しておき、必要に応じてこの値を読み出す。ステップ２２において肯定判定された場合、すなわち、総消費電力Ｐtotalが二次電池４の電源容量Ｐmax以下の場合には（Ｐtotal≦Ｐmax）、ステップ２３に進む。一方、ステップ２２において否定判定された場合、すなわち、総消費電力Ｐtotalが二次電池４の電源容量Ｐmaxよりも大きい場合には（Ｐtotal＞Ｐmax）、ステップ２４に進む。

ステップ２３では、第１の実施形態におけるステップ１３の処理と同様に、通常の温度調節制御が実行される。

ステップ２４において、対象ヒータＨnがグループに分類される。このステップ２４の処理は、以下に示す手順１，２の順番で進行する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池システムに設けられている全てのヒータＨn（１６個）が対象ヒータＨnとして特定されているものとする。

（手順２）制御グループの分類
つぎに、個々のヒータグループ１〜５を処理対象として、ヒータグループ内の対象ヒータＨnを複数の制御グループに分類する。制御グループの分類を行う前提として、制御部５０は、個々のヒータＨnと、このヒータＨnによって加熱される加熱部位の熱容量レベルとの対応関係を記述したテーブルを内部データとして保持している。熱容量レベルは、熱容量が大きい加熱部位であるか、或いは、熱容量が小さい加熱部位であるかを択一的に示すものであり、この対応関係は、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。制御部５０は、内部データを参照し、特定されたそれぞれの対象ヒータＨnのうち、熱容量が大きい加熱部位を加熱する対象ヒータＨnを一方の制御グループ（Ａグループ）に分類し、熱容量が小さい加熱部位を加熱する対象ヒータＨnを他方の制御グループ（Ｂグループ）に分類する。

ヒータグループ１に該当する水素循環系のヒータＨ11〜Ｈ15のうち、熱容量が大きい水素循環ポンプ１３を加熱対象とするヒータＨ12が一方の制御グループ（Ａグループ）に分類され、熱容量が小さい水素循環流路Ｌ2および水素圧力センサ１５を加熱対象とするヒータＨ11，Ｈ13〜Ｈ15が他の制御グループ（Ｂグループ）に分類される。

なお、個々のヒータグループ１〜５に関する制御グループの分類処理において、制御グループを構成する対象ヒータＨnと、ヒータグループを構成する対象ヒータＨnとの構成が同じとなることも考えられる。このようなケースとしては、ヒータグループを構成する対象ヒータＨnの全てが、熱容量が大きい加熱部位に対応するものであること、或いは、熱容量が小さい加熱部位に対応するものであることが挙げられる。ステップ２４の手順２において、複数の制御グループに分類することができないヒータグループについては、第１の実施形態に示すように、ステップ１４の手順２以降の処理に従うことする。本実施形態では、ヒータグループ１のみが制御グループに分類可能であり、以下、このヒータグループ１を対象として、その説明を行う。

ステップ２５において、熱容量が大きい部位を加熱対象とする制御グループ、すなわち、Ａグループに分類された対象ヒータＨnについて、最終目標温度Ｔfinalが決定される。この最終目標温度Ｔfinalは、通常の温度調節制御で用いられる目標温度を参照した上で、この目標温度よりも大きな値に決定される。本実施形態において、最終目標温度Ｔfinalは、通常の温度調節制御の目標値よりも１０℃高い値が用いられる。

ステップ２６において、最終目標温度Ｔfinalまでの途中段階に設定される中間目標温度Ｔmidが決定される。この中間目標温度Ｔmidは、最終目標温度Ｔfinalよりも小さい値を用いれば足り、例えば、現在の加熱部位の温度と、最終目標温度Ｔfinalとの中間値を用いることができる。

ステップ２７において、Ａグループに分類されたヒータＨ12の加熱部位（水素循環ポンプ１３）の目標温度Ｔtargetが、ステップ２６において決定された中間目標値Ｔmidに設定される。

ステップ２８において、Ａグループを対象として温度調節制御が開始される。具体的には、Ａグループに該当する対象ヒータＨn（本実施形態では、ヒータＨ12）に対して電源オンが指示される。これにより、Ａグループに該当するヒータＨ12は電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。この際、Ｂグループに分類された対象ヒータＨn（本実施形態では、ヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15）には電源オンが指示されていないので、それらのヒータＨnの電源はオフ状態のままとなる。

ステップ２９において、Ａグループに該当するヒータＨ12の加熱部位、すなわち、水素循環ポンプ１３の温度が目標温度Ｔtargetに到達したか否かが判定される。このステップ２９において肯定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetに到達した場合には（Ｔga≧Ｔtarget）、ステップ３０に進む。一方、ステップ２９において否定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetに到達していない場合には（Ｔga＜Ｔtarget）、所定時間経過した後に、再度同様の判断を行う。

ステップ３０において、Ａグループを対象とする温度調節制御が停止される。具体的には、Ａグループに該当するヒータＨ12に対して電源オフが指示される。そして、ステップ３１において、Ｂグループを対象として温度調整制御が開始される。具体的には、Ｂグループに該当するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15に対して電源オンが指示される。これにより、Ｂグループに該当するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15は電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。

ステップ３２において、Ａグループに該当するヒータＨ12の加熱部位、すなわち、水素循環ポンプ１３の温度が、目標温度Ｔtargetより所定値ΔＴ（例えば、５℃）以上低下したか否かが判定される。このステップ３２において肯定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetよりも所定値ΔＴ以上低下している場合には（Ｔga≦（Ｔtarget−ΔＴ））、ステップ３３に進む。一方、ステップ３２において否定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetよりも所定値ΔＴ以上低下していない場合には（Ｔga＞（Ｔtarget−ΔＴ））、所定時間経過した後に、再度同様の判断を行う。

ステップ３３において、Ａグループに分類されたヒータＨ12の加熱部位（水素循環ポンプ１３）の目標温度Ｔtargetが、ステップ２５において決定された最終目標値Ｔfinalに設定される。

ステップ３４において、Ｂグループを対象とする温度調節制御が停止される。具体的には、Ｂグループに該当するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15に対して電源オフが指示される。そして、ステップ３５において、Ａグループを対象として温度調節制御が開始される。具体的には、Ａグループに該当するヒータＨ12に対して電源オンが指示される。これにより、Ａグループに該当するヒータＨ12は電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。この際、Ｂグループに分類された対象ヒータＨn（本実施形態では、ヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15）には電源オンが指示されていないので、それらのヒータＨnの電源はオフ状態となる。

ステップ３６において、Ａグループに該当するヒータＨ12の加熱部位、すなわち、水素循環ポンプ１３の温度が目標温度Ｔtargetに到達したか否かが判定される。このステップ２９において肯定判定された場合には（Ｔga≧Ｔtarget）、ステップ３７に進む。一方、ステップ３６において否定判定された場合には（Ｔga＜Ｔtarget）、所定時間経過した後に、再度同様の判断を行う。

ステップ３７において、Ａグループを対象とする温度調節制御が停止される。具体的には、Ａグループに該当するヒータＨ12に対して電源オフが指示される。そして、ステップ３８において、Ｂグループを対象として温度調整制御が開始される。具体的には、Ｂグループに該当するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15に対して電源オンが指示される。これにより、Ｂグループに該当するヒータＨ11，Ｈ13，Ｈ14，Ｈ15は電源がオン状態となり、加熱部位の加熱が行われる。

ステップ３９において、Ａグループに該当するヒータＨ12の加熱部位、すなわち、水素循環ポンプ１３の温度が、目標温度Ｔtargetより所定値ΔＴ（例えば、５℃）以上低下したか否かが判定される。このステップ３２において肯定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetよりも所定値ΔＴ以上低下している場合には（Ｔga≦（Ｔtarget−ΔＴ））、上述した暖機処理を終了する。暖機処理の終了にともない、個々の対象ヒータＨnに対して電源オフが指示される。一方、ステップ３３において否定判定された場合、すなわち、第３の水素系温度センサ１８からの検出値Ｔgaが目標温度Ｔtargetよりも所定値ΔＴ以上低下していない場合には（Ｔga＞（Ｔtarget−ΔＴ））、所定時間経過した後に、再度同様の判断を行う。

このように本実施形態において、制御部５０は、対象ヒータＨnのそれぞれのうち、第１の加熱部位（本実施形態では、水素循環ポンプ１３）を加熱する対象ヒータＨnを第１のグループに分類し、第１の加熱部位よりも熱容量が小さい第２の加熱部位（本実施形態では、水素循環流路Ｌ2および水素圧力センサ１５）を加熱する対象ヒータＨnを第２のグループ（Ｂグループ）に分類する。そして、制御部５０は、Ａグループに該当する対象ヒータＨnのそれぞれ（本実施形態では、ヒータＨ12）に対して電源オンを指示し、水素循環ポンプ１３の温度が、予め設定された目標温度Ｔtargetに到達することを条件に、ヒータＨ12に対して電源オフを指示するとともに、Ｂグループに該当する対象ヒータＨn（本実施形態では、ヒータＨ11，Ｈ13〜Ｈ15）のそれぞれに対して電源オンを指示する。

かかる構成によれば、熱容量が大きい第１の加熱部位の対象ヒータＨnを優先的に電源オンし、その後、この対象ヒータＨnの電源オフすることで、この第１の加熱部位を熱源として作用させるようにでき、周囲の温度が速く暖機すること可能となる。図１２に示すように、一方のグループ（Ａグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオンで、他方のグループ（Ｂグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオフの場合、Ｂグループに該当する対象ヒータＨnの加熱部位は、Ａグループに該当する対象ヒータＨnから熱影響を受けているため、温度低下速度が遅くなる。また、一方のグループ（Ａグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオンで、他方のグループ（Ｂグループ）に該当する対象ヒータＨnの電源状態がオフの場合、Ａグループに該当する対象ヒータＨnの加熱部位は、Ｂグループに該当する対象ヒータＨnから熱影響を受けているため、温度低下速度が遅くなる。これにより、個々の加熱部位は、対象ヒータＨnがオン状態の温度上昇速度よりも、対象ヒータＨnがオフ状態の温度下降速度が遅くなるので、各加熱部位の温度は次第に所望とする温度まで上昇するようになる。

また、本実施形態において、制御部５０は、目標温度Ｔtargetを、加熱部位の温度に応じて実行される温度調節制御の温度目標値よりも大きな値に設定する。これにより、この第１の加熱部位を熱源として作用させるようにでき、周囲の温度が速く暖機すること可能となる。

さらに、本実施形態において、目標温度Ｔtargetは、最終目標温度Ｔfinalと、この最終目標温度Ｔfinalよりも低い温度に設定された中間目標温度Ｔmidとを含む。ここで、制御部５０は、初期的に、目標温度Ｔtargetとして中間目標温度Ｔmidに設定し、第１の加熱部位が中間目標温度Ｔfinalに到達することを条件に、目標温度Ｔtargetとして最終目標温度finalを設定する。かかる構成によれば、図１２に示すように、個々のグループの温度が段階的に上昇していくことなるので、部分的に高温状態や低温状態になるといった温度差を抑制することができるので、システム全体として、均一的に暖機を行うことが可能となる。

なお、上述した第１または第２の実施形態において、電源供給手段として二次電池４を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、総消費電力Ｐtotalが電力供給手段から供給可能な最大電力（電源容量）Ｐmaxよりも大きいケースは、上述した実施形態に限定されるものでなく、電力変換機（ＤＣ・ＤＣコンバータなど）の容量に制限がある場合、ヒータＨnと共に他の補機を動かす場合には、ヒータＨnと他の補機との総消費電力が電力供給源から供給可能な最大電力Ｐmaxよりも大きい場合、燃料電池スタック１が低発電可能な場合においてその発電電力を使って暖機処理を行う場合に、ヒータＨnと他の補機との総消費電力が燃料電池スタック１の発電電力よりも多い場合などが考えられる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図第１の実施形態にかかる暖気処理の手順を示すフローチャートヒータグループ１において、熱影響を受けるヒータＨ11〜Ｈ15の関係と、制御グループの一例とを示す説明図ヒータグループ１における制御グループの一例を示す説明図ヒータグループ２において、熱影響を受けるヒータＨ16〜Ｈ18の関係と、制御グループの一例とを示す説明図ヒータグループ３において、熱影響を受けるヒータＨ21〜Ｈ23の関係と、制御グループの一例とを示す説明図ヒータグループ４において、熱影響を受けるヒータＨ24，Ｈ25の関係と、制御グループの一例とを示す説明図ヒータグループ５において、熱影響を受けるヒータＨ41〜Ｈ23の関係と、制御グループの一例とを示す説明図第１の実施形態にかかる暖機処理の概念説明図熱影響を受けるヒータＨ21〜Ｈ23，Ｈ41〜Ｈ43，Ｈ14の関係と、制御グループの一例とを示す説明図第２の実施形態にかかる暖気処理の手順を示すフローチャート第２の実施形態にかかる暖機処理の概念説明図第２の実施形態にかかる暖機処理の概念説明図

符号の説明

１燃料電池スタック
２出力取出装置
３負荷装置
４二次電池
１０水素系
１１燃料タンク
１２水素調圧バルブ
１３水素循環ポンプ
１４パージバルブ
１５水素圧力センサ
１６第１の水素系温度センサ
１７第２の水素系温度センサ
１８第３の水素系温度センサ
２０空気系
２１コンプレッサ
２２空気調圧バルブ
２３ラジエータ
２４空気系冷媒循環ポンプ
２６第１の空気系温度センサ
２７空気圧力センサ
２８第２の空気系温度センサ
２９第３の空気系温度センサ
３０空気系冷媒温度センサ
３２ラジエータ
４０冷却系
４１ラジエータ
４２冷却系冷媒循環ポンプ
４３冷却系温度センサ
４４冷却系冷媒温度センサ
５０制御部
５１外気温センサ

Claims

燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を生成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
それぞれが異なる加熱部位に設けられており、電源オンが指示されることにより前記加熱部位をそれぞれ加熱する複数の加熱手段と、
前記加熱手段のそれぞれに対して電力を供給する電力供給手段と、
前記加熱部位のそれぞれの温度を検出する温度検出手段と、
前記加熱手段によって加熱される前記加熱部位の温度に応じて、当該加熱手段に対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、前記加熱手段毎に行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記複数の加熱手段の中から、電源オンの指示対象となる対象加熱手段を特定し、当該特定された対象加熱手段のそれぞれの消費電力の総和である総消費電力と、前記電力供給手段から供給可能な最大電力とを比較し、当該比較結果に基づいて、前記対象加熱手段のそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを指示することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記総消費電力が前記最大電力よりも大きい場合には、前記総消費電力が前記最大電力以下となるように、前記対象加熱手段のそれぞれに対して電源オンまたは電源オフを選択的に指示し、
前記総消費電力が前記最大電力以下の場合には、前記対象加熱手段によって加熱される前記加熱部位の温度に応じて、当該対象加熱手段に対して電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を、前記対象加熱手段毎に行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記総消費電力が前記最大電力よりも大きい場合には、前記対象加熱手段のそれぞれを２つ以上のグループに分類し、当該分類されたグループ毎に、前記対象加熱手段に対して電源オンを指示する期間をオフセットさせながら周期的に切り替えることを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記対象加熱手段のそれぞれのうち、第１の加熱部位を加熱する第１の対象加熱手段と、当該第１の対象加熱手段からの熱影響を受ける第２の加熱部位を加熱する第２の対象加熱手段とを異なるグループに分類することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記対象加熱手段のそれぞれのうち、第１の加熱部位を加熱する第１の対象加熱手段と、当該第１の対象加熱手段の発熱に伴い温度が上昇する第２の加熱部位を加熱する第２の対象加熱手段とを異なるグループに分類することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記対象加熱手段のそれぞれのうち、他の対象加熱手段からの熱影響を受けない第３の加熱部位を加熱する第３の対象加熱手段に対して、前記第３の加熱部位の温度に応じて、電源オンまたは電源オフを指示する温度調節制御を行うことを特徴とする請求項４または５に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記対象加熱手段のそれぞれのうち、第１の加熱部位を加熱する前記対象加熱手段を第１のグループに分類し、前記第１の加熱部位よりも熱容量が小さい第２の加熱部位を加熱する前記対象加熱手段を第２のグループに分類し、
前記第１のグループに該当する前記対象加熱手段のそれぞれに対して電源オンを優先的に指示し、前記第１の加熱部位が、予め設定された目標温度に到達することを条件に、第１のグループに該当する前記対象加熱手段のそれぞれに対して電源オフを指示するとともに、前記第２のグループに該当する前記対象加熱手段のそれぞれに対して電源オンを指示することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記目標温度を、前記加熱部位の温度に応じて実行される前記温度調節制御の温度目標値よりも大きな値に設定することを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
前記目標温度は、最終目標温度と、当該最終目標温度よりも低い温度に設定される中間目標温度とを含み、
前記制御手段は、初期的に、前記目標温度として前記中間目標温度に設定し、前記第１の加熱部位が前記中間目標温度に到達することを条件に、前記目標温度として前記最終目標温度を設定することを特徴とする請求項７または８に記載された燃料電池システム。