JP5338975B2

JP5338975B2 - 燃料電池システム及び燃料電池の発電効率の低下を抑制する方法

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Publication number: JP5338975B2
Application number: JP2012511420A
Authority: JP
Inventors: 知之加古; 敬子田中; 圭岡本; 清司田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-04-22
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Description

本発明は、燃料電池の廃熱を利用する燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の廃熱を車室内の温度調節の熱源に利用する技術が知られている。詳しくは、燃料電池内を流れる冷却水等の熱媒体を空調用のヒータコアに供給し、ヒータコアにより温度調節された空気を車室内に供給する（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この技術では、燃料電池に供給される熱媒体の温度がヒータコアを通過することによって変動するため、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。

なおこのような問題は、燃料電池を搭載した車両に限らず、燃料電池を備えた燃料電池システム全般に共通する問題であった。

特開２００１−３１５５２４号公報

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の廃熱を利用する燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電効率の低下を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。

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、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、暖房装置に利用されるヒータコアと、前記燃料電池を通って熱媒体を循環させる第１の循環回路と、前記ヒータコアを通って熱媒体を循環させる第２の循環回路と、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路とを接続し、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路との間で熱媒体を循環させる接続流路と、前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの下流側に配置され、前記ヒータコアから流出した後の熱媒体であって前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整する第１の温度調整部とを備える燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムによれば、第１の温度調整部が、燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整するので、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の上流側に配置され、前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を測定する第１の温度センサと、前記第１の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第１の温度調整部を制御する制御部とを備える燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムによれば、制御部が、燃料電池に流入する前の熱媒体の温度に基づいて第１の温度調整部を制御するので、燃料電池に流入する熱媒体の温度をより正確に調整することができる。

[適用例３]
適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの上流側に配置され、前記燃料電池から流出した後の熱媒体であって前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を調整する第２の温度調整部を備える燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムによれば、第２の温度調整部が、ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を調整するので、ヒータコアに流入する熱媒体の温度を、ヒータコアに要求される所望の温度とすることができる。

[適用例４]
適用例３に記載の燃料電池システムであって、前記ヒータコアの上流側に配置され、前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を測定する第２の温度センサをさらに備え、前記制御部は、前記第２の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第２の温度調整部を制御する燃料電池システム。

適用例４の燃料電池システムによれば、制御部が、ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度に基づいて第２の温度調整部を制御するので、ヒータコアに流入する熱媒体の温度をより正確に調整することができる。

[適用例５]
適用例４に記載の燃料電池システムであって、前記第１の温度調整部は第１の電気ヒータであり、前記第２の温度調整部は第２の電気ヒータであり、前記制御部は、前記燃料電池に許容される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第１の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御するとともに、前記暖房装置から要求される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第２の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御する燃料電池システム。

適用例５の燃料電池システムによれば、第１及び第２の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御するので、熱媒体の温度を目標温度に追随させることができる。

[適用例６]
燃料電池の発電効率の低下を抑制する方法であって、第１の循環回路を用いて、前記燃料電池を通る熱媒体を循環させる工程と、第２の循環回路を用いて、暖房装置に利用されるヒータコアを通る熱媒体を循環させる工程と、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路とを接続し、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路との間で熱媒体を循環させる工程と、前記ヒータコアから流出した後の熱媒体であって前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整する工程とを備える方法。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の発電効率の低下を抑制する方法および装置、それらの方法または装置の機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０を搭載する車両１のフロント部１ｆ周辺の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０とその周辺の構成を示す説明図である。第１三方弁３３を制御することによって第２熱媒体流路６２から流出した熱媒体が第３熱媒体流路６３に流入せず全て第４熱媒体流路６４に流入する状態を示す説明図である。第２三方弁５８を制御することによって第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが物理的に接続された状態を示す説明図である。連携状態時における電気ヒータ制御処理を示すフローチャートである。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０を搭載する車両１のフロント部１ｆ周辺の概略構成を示す説明図である。図示するように、フロント部１ｆには、主として、燃料電池システム１０、ヘッドライト２、エアコンプレッサ３などが配置される。燃料電池システム１０は、主として、燃料電池スタック２０と、空調装置５０とを備えている。フロント部１ｆには、さらに、燃料電池スタック２０で発生した電力により車両１の推進力を生じさせる駆動モータ５や、駆動モータ５が発生させたトルクを車軸に伝えるギヤ７などが設けられている。ヘッドライト２、空調装置５０、およびエアコンプレッサ３も、燃料電池スタック２０で発生した電力により駆動される。空調装置５０は、車室１ｒの内部の温度を制御するものである。

図２は、燃料電池システム１０とその周辺の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０および制御ユニット１００を中心に構成され、システムの熱的な移動を行なうための第１循環回路Ｃ１、第２循環回路Ｃ２を備える。なお、図中の太い実線の矢印は、熱媒体の流れを示している。

第１循環回路Ｃ１は、主として、燃料電池スタック２０で生じた熱を吸収した熱媒体をラジエータ３０に運び、ラジエータ３０により冷却された熱媒体を燃料電池スタック２０に循環する回路である。この循環は、ポンプ３２により行なわれており、ポンプ３２により押し出された熱媒体は、ポンプ３２が設けられた第１熱媒体流路６１→燃料電池２０内の媒体流路→第２熱媒体流路６２→第３熱媒体流路６３→ラジエータ３０→第１三方弁３３の順に流れて、ポンプ３２に循環する。ラジエータ３０には、これをバイパスする第４熱媒体流路６４が設けられており、この第４熱媒体流路６４は、第２熱媒体流路６２から第３熱媒体流路６３に至る地点で分岐し、第１三方弁３３で、第１熱媒体流路６１に合流する。これらの流路が第１循環回路Ｃ１を形成している。

第１三方弁３３の入力側の２つのポートは、第４熱媒体流路６４とラジエータ３０の出口管とにそれぞれ接続され、第１三方弁３３の出力側のポートは、第１熱媒体流路６１に接続されている。第１三方弁３３は、２つの切換位置ａ，ｂを有し、制御ユニット１００からの信号により、ポートを切り換える動作を行なう。図２に示した位置ａでは、第１三方弁３３は、ラジエータ３０の出口管と第１熱媒体流路６１とをつなぎ、第４熱媒体流路６４の側を閉鎖するから、ラジエータ３０を通った熱媒体が、第１循環回路Ｃ１を循環する。他方、この状態から、第１三方弁３３が動作位置ｂに切り換えられると、流路の接続関係は逆になり、第４熱媒体流路６４を通った熱媒体が、第１循環回路Ｃ１を循環する。

第２循環回路Ｃ２は、空調装置５０に熱媒体により空調用に必要な熱量を運ぶ循環路である。この循環は、第２ポンプ５４により行なわれており、第２ポンプ５４により押し出された熱媒体は、第２ポンプ５４が設けられた第６熱媒体流路６６→ヒータコア５１→第７熱媒体流路６７→第８熱媒体流路６８→第２三方弁５８の順に流れて、第２ポンプ５４に循環する。なお、第２ポンプ５４からヒータコア５１に至る流路には、第２電気ヒータ５７が、ヒータコア５１から第７熱媒体流路６７に至る流路には、第１電気ヒータ５５が、それぞれ設けられている。ヒータコア５１は、空調装置５０に利用される暖房用熱交換器である。

この第２循環回路Ｃ２は、第１循環回路Ｃ１と２箇所で接続されており、熱媒体を両循環回路Ｃ１，Ｃ２で、共有可能としている。具体的には、燃料電池スタック２０から第２熱媒体流路６２に至る地点で分岐した第５熱媒体流路６５が、第２三方弁５８に接続されることにより、第２三方弁５８の開閉状態により、第１循環回路Ｃ１を循環する熱媒体の一部が、第２循環回路Ｃ２に流入可能となる。第２循環回路Ｃ２を循環した熱媒体は、第７熱媒体流路６７が第８熱媒体流路６８に至る地点で分岐し、第１循環回路Ｃ１の第２熱媒体流路６２に接続された第９熱媒体流路６９により、第１循環回路Ｃ１に戻っていく。

第２三方弁５８の入力側の２つのポートは、第５熱媒体流路６５と第８熱媒体流路６８とにそれぞれ接続され、第２三方弁５８の出力側のポートは、第６熱媒体流路６６に接続されている。第２三方弁５８は、２つの切換位置ａ，ｂを有し、制御ユニット１００からの信号により、ポートを切り換える動作を行なうことは、第１三方弁３３と同様である。図２に示した位置ａでは、第２三方弁５８は、第８熱媒体流路６８と第６熱媒体流路６６とをつなぎ、第５熱媒体流路６５の側を閉鎖するから、熱媒体は、第２循環回路Ｃ１を循環する。すなわち、図２の例では、第１循環回路Ｃ１および第２循環回路Ｃ２において、それぞれ独立して熱媒体が循環している。以下、このように、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とで互いに独立して熱媒体が循環している状態を「独立状態」と呼ぶ。他方、この状態から、第２三方弁５８が動作位置ｂに切り換えられると、流路の接続関係は逆になり、第１循環回路Ｃ１を循環する熱媒体の一部が、第２循環回路Ｃ２の空調装置５０を通り、第１循環回路Ｃ１に戻っていく。以下では、この状態を「連携状態」と呼ぶ。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する単セルが複数積層された構成を備えている。燃料電池スタック２０には、図示しない水素ガスタンクから、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス流路２２を介して供給される。また、燃料電池スタック２０には、エアコンプレッサ３（図１）により、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路２４を介して供給される。燃料電池スタック２０には、上述したように、冷却媒体としての熱媒体が供給され、発電に伴い昇温した各単セルが熱媒体によって冷却される。本実施例では、熱媒体として水にエチレングリコールなどを添加した不凍液を用いるものとするが、不凍液に換えて、純水等の任意の冷却水を利用することもできる。また、冷却水に換えて二酸化炭素などの気体を熱媒体としてもよい。

燃料電池スタック２０には、図示しないインバータを介して負荷４０が電気的に接続されており、燃料電池スタック２０における電気化学反応により生じた電力が負荷４０に供給される。ここで、負荷４０とは、種々の負荷の集合であり、各負荷は、前述したように、ヘッドライト２、エアコンプレッサ３、駆動モータ５、後述する２つの電動ファン３１，５２、第１電気ヒータ５５、第２電気ヒータ５７、および２つのポンプ３２，５４等を意味する。さらに、負荷４０の各負荷として、図示しないナビゲーション装置やオーディオ装置等、車両１に搭載される全ての電気機器が該当しうる。

第３熱媒体流路６３に配置されたラジエータ３０の近傍には、電動ファン（以下、「ラジエータファン」と呼ぶ）３１が配置されている。ラジエータ３０は、第２熱媒体流路６２を介して燃料電池スタック２０から送られてくる熱媒体を、ラジエータファン３１からの風により冷却し、熱媒体の熱を車外へと放出する。

第４熱媒体流路６４は、ラジエータ３０をバイパスして、第２熱媒体流路６２と第１熱媒体流路６１とを接続するバイパス回路である。このため、第４熱媒体流路６４を通過する熱媒体の放熱量は、第３熱媒体流路６３を通過する熱媒体の放熱量に比べて少ない。

第１電気ヒータ５５は、上述したようにヒータコア５１の下流側に配置されており、第７熱媒体流路６７を流通する熱媒体を温めることが可能である。具体的には、第１電気ヒータ５５は、連携状態において、第１熱媒体流路６１を流通する熱媒体の温度（すなわち、燃料電池スタック２０に流入する熱媒体の温度）が、燃料電池スタック２０に許容される熱媒体の温度範囲よりも低い場合に、第７熱媒体流路６７を流通する熱媒体を温める。こうすれば、燃料電池スタック２０に流入する熱媒体の温度が、許容される温度範囲（例えば、７０℃〜７５℃）よりも低くなることを抑制することができるため、燃料電池スタック２０の発電効率の低下を抑制することができる。

第２電気ヒータ５７は、上述したようにヒータコア５１の上流側に配置されており、第６熱媒体流路６６を流通する熱媒体を温めることが可能である。具体的には、第２電気ヒータ５７は、ヒータコア５１に流入する熱媒体の温度が、ヒータコア５１に要求される熱媒体の温度よりも低い場合に、当該熱媒体を温める。こうすれば、ヒータコア５１に流入する熱媒体が所望の温度となるので、空調装置５０は、所望の暖房を実行することができる。第１電気ヒータ５５及び第２電気ヒータ５７の制御の詳細については後述する。

空調装置５０は、前述したヒータコア５１と、電動ファン（以下、「ブロワーファン」と呼ぶ）５２と、ケーシング５３とを備えている。ヒータコア５１は、加熱用熱交換機であり、第２循環回路Ｃ２を流通する熱媒体の熱によって昇温される。ブロワーファン５２は、ヒータコア５１に対して送風することにより、ケーシング５３の外部（図１に示す車室１ｒ内）に向けてヒータコア５１により温められた空気を送出する。なお、空調装置５０は、図示しないダクトを介して、各種吹出口（ベンチレーター，フット，デフロスタ等）と接続され、これら吹出口から温風を送出する。

操作パネル７０は、乗員により操作可能な各種のスイッチを含む。各種のスイッチとしては、エアコンディショナ（エアコン）のスイッチや、室内温度設定用のスイッチ等が該当する。

制御ユニット１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、メモリ１０２と、入出力回路１０３とを主に備えている。入出力回路１０３は、各種アクチュエータ、各種センサ、および操作パネル７０と信号線（図示せず）を介して接続されている。

メモリ１０２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しないコンピュータプログラムが格納されている。ＣＰＵ１０１は、このコンピュータプログラムを実行することにより、ヒータ制御部１１０や回路切換制御部１２０として機能する。ヒータ制御部１１０及び回路切換制御部１２０は、各種センサの検出値や操作パネル７０の出力信号等に基づいて各種アクチュエータを駆動して、車室１ｒ内の温度を制御する。また、メモリ１０２には、ヒータ制御部１１０に利用される第１ヒータ容量増減マップＭＰ１と第２ヒータ容量増減マップＭＰ２とが予め格納されている。これらについては後述する。

各種アクチュエータとしては、２つの電動ファン３１，５２、２つの電気ヒータ５５，５７、２つのポンプ３２，５４、２つの三方弁３３，５８等がある。

各種センサとしては、各種の温度センサや電圧センサ（図示せず）や電流センサ（図示せず）等がある。本実施例では、燃料電池スタック２０の熱媒体流入口の上流側に設けられた第１温度センサ３４、ヒータコア５１の熱媒体流入口の上流側に設けられた第２温度センサ５６、車内温度センサ（図示せず）、車外温度センサ（図示せず）、日射量センサ（図示せず）等が各種温度センサとして設けられている。第１温度センサ３４は、燃料電池スタック２０に流入する熱媒体の温度Ｔ１を測定する。第２温度センサ５６は、ヒータコア５１に流入する熱媒体の温度Ｔ２を測定する。

図３は、第１三方弁３３を制御することによって、第２熱媒体流路６２から流出した熱媒体が第３熱媒体流路６３に流入せず、全て第４熱媒体流路６４に流入する状態を示す説明図である。独立状態においても、図２に示したように、第４熱媒体流路６４が閉じて第３熱媒体流路６３が開いている状態（以下、「第１の独立状態」という）と、この図３に示すように、第３熱媒体流路６３が閉じて第４熱媒体流路６４が開いている状態（以下、「第２の独立状態」という）とがある。すなわち、独立状態には、ラジエータ３０が利用される第１の独立状態（図２）と、ラジエータ３０が利用されない第２の独立状態（図３）とがある。

図４は、第２三方弁５８を制御することによって、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２とが物理的に接続された状態を示す説明図である。この状態は、上述した連携状態であり、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で熱媒体のやりとりが行われる。詳しくは、このときには、第２三方弁５８は、第６熱媒体流路６６と第５熱媒体流路６５とを接続し、第６熱媒体流路６６と第８熱媒体流路６８を接続しない状態となっており、第１循環回路Ｃ１と第２循環回路Ｃ２との間で熱媒体のやりとりが行われる。この連携状態時においては、燃料電池スタック２０の廃熱を利用してヒータコア５１による暖房を行うことができる。

なお、この連携状態時には、第１三方弁３３を制御することで、第１循環回路Ｃ１においては、第２熱媒体流路６２から流出された熱媒体が第３熱媒体流路６３に流入せず、全て第４熱媒体流路６４に流入する構成としている。この理由は、ヒータコア５１に流入する熱媒体が、ラジエータ３０で冷却されることを抑制するためである。

回路切換制御部１２０（図２）は、第１三方弁３３および第２三方弁５８を調整して、燃料電池システム１０における熱媒体の回路を上述した第１の独立状態、第２の独立状態、および連携状態のうちのいずれかに切り換えることができる。回路切換制御部１２０は、種々の態様の回路切換制御を実行することができる。具体的には、例えば、燃料電池スタック２０の温度が所定値以上の高温であり、かつ空調装置５０からの要求があるときには、燃料電池スタック２０の廃熱をヒータコア５１の加熱に利用することができるので、回路切換制御部１２０は、燃料電池システム１０を連携状態（図４）に切り換える。また、燃料電池スタック２０の温度が所定値以上の高温であり、かつ空調装置５０からの要求がないときには、燃料電池スタック２０を通過する熱媒体をラジエータ３０によって冷却するために、回路切換制御部１２０は、燃料電池システム１０を第１の独立状態（図２）に切り換える。燃料電池スタック２０の温度が所定値を下回るときには、回路切換制御部１２０は、燃料電池システム１０を第２の独立状態（図３）に切り換える。

Ａ２．連携状態における電気ヒータの制御：
次に、連携状態時における電気ヒータの制御について説明する。上述した連携状態では、ヒータコア５１を通過した熱媒体は、第７熱媒体流路６７、第９熱媒体流路６９、第４熱媒体流路６４、第１熱媒体流路６１を通って、燃料電池スタック２０に供給される。熱媒体がヒータコア５１を通過する際、ヒータコア５１で熱交換が行なわれ、熱媒体の温度は低下する。このため、ヒータコア５１を通過した熱媒体の温度Ｔ１は、燃料電池スタック２０に許容される温度範囲よりも低くなる場合がある。そこで、ヒータ制御部１１０は、第１温度センサ３４によって測定された熱媒体の温度Ｔ１が、燃料電池スタック２０に許容される温度範囲に収まるように、第１電気ヒータ５５のヒータ容量のフィードバック制御を行なう。

さらに、ヒータ制御部１１０は、第２温度センサ５６によって測定された熱媒体の温度Ｔ２が、ヒータコア５１が要求する要求温度Ｔｗｏとなるように、第２電気ヒータ５７のヒータ容量のフィードバック制御を行なう。以下、処理の詳細について説明する。

図５は、連携状態時における電気ヒータ制御処理の一例を示すフローチャートである。この電気ヒータ制御処理は、制御ユニット１００のヒータ制御部１１０により実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１１０では、第１温度センサ３４は、燃料電池スタック２０に流入する前における熱媒体の温度Ｔ１を測定し、第２温度センサ５６は、ヒータコア５１に流入する前における熱媒体の温度Ｔ２を測定する。

ステップＳ１２０では、ヒータ制御部１１０は、燃料電池スタック２０に流入する熱媒体に許容される許容温度範囲（ＴＬ℃〜ＴＨ℃）を設定する。この許容温度範囲は、燃料電池スタック２０の劣化を抑制したり、燃料電池スタック２０の高効率運転を実現するために設定される。本実施例では、許容温度範囲は、７０℃から７５℃に設定されている（すなわち、ＴＬ＝７０℃、ＴＨ＝７５℃に設定されている）。

さらに、ヒータ制御部１１０は、空調装置５０から入力された目標吹き出し温度Ｔａｏに基づいて、ヒータコア５１に流入する熱媒体に要求される温度である要求温度Ｔｗｏを設定する。目標吹き出し温度Ｔａｏとは、空調装置５０から吹き出す空気の温度の目標値であり、周知の方法にて別ルーチンにて演算される。例えば、目標吹き出し温度Ｔａｏは、車内温度とユーザによる設定温度との差に、車外温度、日射量等を考慮して求められる。

ステップＳ１３０では、ヒータ制御部１１０は、温度Ｔ１が許容温度範囲内（ＴＬ℃〜ＴＨ℃）に収まるように、第１電気ヒータ５５のヒータ容量のフィードバック制御を行なう。具体的には、例えば、ヒータ制御部１１０は、以下の式に基づいてＥａ_n及びＥＤＯＴａを算出する。
Ｅａ_n＝（ＴＬ＋ＴＨ）／２−Ｔ１
ＥＤＯＴａ＝Ｅａ_n−Ｅａ_n-1
ここで、（ＴＬ＋ＴＨ）／２は許容温度範囲の中央値であり、Ｅａ_nは今回のこのルーチンで算出された中央値と温度Ｔ１との差分であり、Ｅａ_n-1は１つ前のこのルーチンが実行された際に算出された中央値と温度Ｔ２との差分である。なお、次のこのルーチンでは、今回のこのルーチンで算出されたＥａ_nが、次のルーチンにおけるＥａ_n-1となる。

ヒータ制御部１１０は、算出したＥａｎ及びＥＤＯＴａをキーとして第１ヒータ容量増減マップＭＰ１を検索し、第１電気ヒータ５５のヒータ容量の増減分ｄＷ１を決定する。第１ヒータ容量増減マップＭＰ１は、２入力のテーブルであり、Ｅａ_n及びＥＤＯＴａに対応したヒータ容量の増減分ｄＷ１が予め設定されている。本実施例では、第１ヒータ容量増減マップＭＰ１におけるヒータ容量の増減分ｄＷ１は、予め実施された実験データに基づいて設定されているが、シミュレーション結果や所定の演算処理の結果に基づいて設定されることとしてもよい。具体的には、例えば、ヒータ容量増減分ｄＷ１は、Ｅａ_nが大きいほど大きくなるように設定されている。さらに、ヒータ容量増減分ｄＷ１は、Ｅａ_nが同一の値であっても、ＥＤＯＴａに応じた値が設定されている。なお、後述するステップＳ１４０において用いられる第２ヒータ容量増減マップＭＰ２も、第１ヒータ容量増減マップＭＰ１と同様の傾向を有している。

ステップＳ１４０（図５）では、ヒータ制御部１１０は、温度Ｔ２が要求温度Ｔｗｏとなるように、第２電気ヒータ５７のヒータ容量のフィードバック制御を行なう。具体的には、例えば、ヒータ制御部１１０は、以下の式に基づいてＥｂ_n及びＥＤＯＴｂを算出する。
Ｅｂ_n＝Ｔｗｏ−Ｔ２
ＥＤＯＴｂ＝Ｅｂ_n−Ｅｂ_n-1
ここで、Ｅｂ_nは今回のこのルーチンで算出された要求温度Ｔｗｏと温度Ｔ２との差分であり、Ｅｂ_n-1は１つ前のこのルーチンが実行された際に算出された要求温度Ｔｗｏと温度Ｔ２との差分である。なお、次のこのルーチンでは、今回のルーチンで算出されたＥｂ_nが、次のルーチンにおけるＥｂ_n-1となる。

ヒータ制御部１１０は、算出したＥｂ_n及びＥＤＯＴｂをキーとして第２ヒータ容量増減マップＭＰ２を検索し、第２電気ヒータ５７のヒータ容量の増減分ｄＷ２を決定する。

ステップＳ１５０では、ヒータ制御部１１０は、算出したヒータ容量の増減分ｄＷ１，ｄＷ２に基づいて、第１，第２電気ヒータ５５，５７のヒータ容量を制御する。

ステップＳ１５０の処理が終了すると、ヒータ制御部１１０は、所定時間経過後に、再びステップＳ１１０の処理を開始する。

このように、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、第１の独立状態、第２の独立状態及び連携状態を切り替えることができるため、燃料電池スタック２０の廃熱を有効に利用することができる。しかも、連携状態では、ヒータコア５１を通過することによって温度が低下した熱媒体を第１電気ヒータ５５によって温めることができるので、燃料電池スタック２０に供給される熱媒体の温度を、燃料電池スタック２０の許容温度範囲内に収めることが可能となる。このため、燃料電池スタック２０の発電効率の低下を抑制することが可能となる。さらに、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、ヒータコア５１に供給される熱媒体を、第２電気ヒータ５７によって温めることができるので、熱媒体の温度をヒータコア５１に要求される温度とすることができる。

Ｂ．変形例：
なお、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。

・第１変形例：
上記実施例における独立状態において、ヒータコア５１に供給される熱媒体を、２つの電気ヒータ５５，５７を用いて温めることとしてもよい。こうすれば、第２電気ヒータ５７のみを用いる場合に比べて、熱媒体の温度を早く上昇させることが可能となる。

・第２変形例：
上記実施例では、第１温度センサ３４は、第１熱媒体流路６１に配置されていたが、これに限定されるものではない。すなわち、第１温度センサ３４は、燃料電池の上流側であって、燃料電池システム１０に流入する前の熱媒体の温度を測定可能な位置に配置されていればよい。例えば、第１温度センサ３４は、第４熱媒体流路６４や、第９熱媒体流路６９、第２熱媒体流路６２のうち第９熱媒体流路６９との接続箇所よりも下流側等に配置することが可能である。

・第３変形例：
上記実施例では、第２温度センサ５６は、第６熱媒体流路６６に配置されていたが、これに限定されるものではない。すなわち、第２温度センサ５６は、ヒータコア５１の上流側であって、ヒータコア５１に流入する前の熱媒体の温度を測定可能な位置に配置されていればよい。例えば、第２温度センサ５６は、第５熱媒体流路６５や、第２熱媒体流路６２のうち第５熱媒体流路６５との接続箇所よりも上流側等に配置することが可能である。

・第４変形例：
上記実施例では、第１電気ヒータ５５によって熱媒体を加熱して、燃料電池システム１０に供給される熱媒体の温度を調整していたが、これに加えて、熱媒体の温度を下げるための機構（例えば、ファン等）を設けて、燃料電池システム１０に供給される熱媒体の温度を調整することとしてもよい。同様に、第２電気ヒータ５７に加えて、ヒータコア５１に供給される熱媒体の温度を下げるための機構を設けて、ヒータコア５１に供給される熱媒体の温度を調整することとしてもよい。

・第５実施例：
上記実施例では、２種類のヒータ容量増減マップＭＰ１，ＭＰ２を用いて、２つの電気ヒータ５５，５７のヒータ容量のフィードバック制御を行なっていたが、この代わりに、１種類のヒータ容量増減マップを共通して利用して、２つの電気ヒータ５５，５７のヒータ容量のフィードバック制御を行なうこととしてもよい。また、マップを用いずに、所定の演算処理によって、２つの電気ヒータ５５，５７のヒータ容量の増減分を算出することとしてもよい。

・第６変形例：
上記実施例では、燃料電池システム１０は、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに換えて、ハイブリッド自動車、電車などの各種車両に適用したり、空調機構を備えた家庭用電源システム等に適用することもできる。

・第７変形例：
上記実施例では、燃料電池スタック２０として固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。

・第８変形例：
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。

なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載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。

１…車両
１ｆ…フロント部
１ｒ…車室
２…ヘッドライト
３…エアコンプレッサ
５…駆動モータ
７…ギヤ
１０…空調システム
２０…燃料電池スタック
２２…燃料ガス流路
２４…酸化剤ガス流路
２５…第２三方弁
３０…ラジエータ
３１…ラジエータファン
３２…第１ポンプ
３３…第１三方弁
３４…第１温度センサ
４０…負荷
５０…空調装置
５１…ヒータコア
５２…ブロワーファン
５３…ケーシング
５４…第２ポンプ
５５…第１電気ヒータ
５６…第２温度センサ
５７…第２電気ヒータ
５８…第２三方弁
６１…第１熱媒体流路
６２…第２熱媒体流路
６３…第３熱媒体流路
６４…第４熱媒体流路
６５…第５熱媒体流路
６６…第６熱媒体流路
６７…第７熱媒体流路
６８…第８熱媒体流路
６９…第９熱媒体流路
１００…制御ユニット
１０１…ＣＰＵ
１０２…メモリ
１０３…入出力回路
１１０…ヒータ制御部
１２０…回路切換制御部
Ｃ１…第１循環回路
Ｃ２…第２循環回路

Claims

燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
暖房装置に利用されるヒータコアと、
前記燃料電池を通って熱媒体を循環させる第１の循環回路と、
前記ヒータコアを通って熱媒体を循環させる第２の循環回路と、
前記第１の循環回路と前記第２の循環回路とを接続し、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路との間で熱媒体を循環させる接続流路と、
前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの下流側に配置され、前記ヒータコアから流出した後の熱媒体であって前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整する第１の温度調整部と、
前記燃料電池の上流側に配置され、前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を測定する第１の温度センサと、
前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの上流側に配置され、前記燃料電池から流出した後の熱媒体であって前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を調整する第２の温度調整部と、
前記ヒータコアの上流側に配置され、前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を測定する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第１の温度調整部を制御するとともに、前記第２の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第２の温度調整部を制御する制御部と
を備え、
前記第１の温度調整部は第１の電気ヒータであり、前記第２の温度調整部は第２の電気ヒータであり、
前記制御部は、前記燃料電池に許容される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第１の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御するとともに、前記暖房装置から要求される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第２の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御する
燃料電池システム。
燃料電池の発電効率の低下を抑制する方法であって、
（ａ）第１の循環回路を用いて、前記燃料電池を通る熱媒体を循環させる工程と、
（ｂ）第２の循環回路を用いて、暖房装置に利用されるヒータコアを通る熱媒体を循環させる工程と、
（ｃ）前記第１の循環回路と前記第２の循環回路とを接続し、前記第１の循環回路と前記第２の循環回路との間で熱媒体を循環させる工程と、
（ｄ）前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの下流側に配置された第１の温度調整部によって、前記ヒータコアから流出した後の熱媒体であって前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整する工程と、
（ｅ）前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの下流側に配置された第１の温度調整部によって、前記ヒータコアから流出した後の熱媒体であって前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を調整する工程と、
（ｆ）前記燃料電池の上流側に配置された第１の温度センサによって、前記燃料電池に流入する前の熱媒体の温度を測定する工程と、
（ｇ）前記第２の循環回路上であって前記ヒータコアの上流側に配置された第２の温度調整部によって、前記燃料電池から流出した後の熱媒体であって前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を調整する工程と、
（ｈ）前記ヒータコアの上流側に配置された第２の温度センサによって、前記ヒータコアに流入する前の熱媒体の温度を測定する工程と、
（ｉ）前記第１の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第１の温度調整部を制御するとともに、前記第２の温度センサにより測定された前記熱媒体の温度に基づいて前記第２の温度調整部を制御する工程と
を備え、
前記第１の温度調整部は第１の電気ヒータであり、前記第２の温度調整部は第２の電気ヒータであり、
前記工程（ｉ）は、前記燃料電池に許容される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第１の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御するとともに、前記暖房装置から要求される前記熱媒体の目標温度に基づいて前記第２の電気ヒータのヒータ容量をフィードバック制御する工程を含む
方法。