燃料電池システム
【課題】回生電力を得ることが可能な燃料電池システムにおいて、冷却系に悪影響を及ぼすことなく、余剰電力を確実に消費する。
【解決手段】燃料電池１０の発電電力と回生電力発生手段１１、１２の回生電力との合計電力のうち負荷手段の消費電力を超える第１余剰電力を２次電池１３に充電する。第１余剰電力のうち２次電池受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応する所定流量以上の場合に、第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する。電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が所定流量未満の場合に、冷却水流量を増大させるとともに、２次電池受入可能電力を増大させて第２余剰電力を２次電池１３に充電する。
【解決手段】燃料電池１０の発電電力と回生電力発生手段１１、１２の回生電力との合計電力のうち負荷手段の消費電力を超える第１余剰電力を２次電池１３に充電する。第１余剰電力のうち２次電池受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応する所定流量以上の場合に、第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する。電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が所定流量未満の場合に、冷却水流量を増大させるとともに、２次電池受入可能電力を増大させて第２余剰電力を２次電池１３に充電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を駆動源とする燃料電池車両では、一般に減速時や降坂時に車両駆動用モータ等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を２次電池（電力貯蔵装置）に蓄え、次の発進時や加速時に利用することで、車両燃費、車両加速性能を向上させることが行われている。
【０００３】
しかしながら、降り坂が連続して続くような場合には、回生電力により２次電池が満充電状態になってしまい、駆動用モータからの回生電力を２次電池に蓄えることができなくなり、回生制動による制動力を得ることができなくなるという問題があった。このような場合、回生制動が利用できないために機械式のブレーキのみに依存することになり、さらには燃料電池車両では内燃機関車両などに比べてエンジンブレーキがない分だけ、機械式ブレーキの大型化やブレーキの操作頻度が上昇することに伴う運転者の負担増、乗車フィーリングの悪化といった問題があった。
【０００４】
このため回生制動による余剰電力を処理するために、燃料電池の冷却水回路に電気ヒータを設け、２次電池への充電を優先しつつ、余剰電力を電気ヒータで消費させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３４１３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、電気ヒータで余剰電力を消費する際に、冷却水循環ポンプの応答遅れによって、電気ヒータの発熱に対して電気ヒータに流れる冷却水流量が充分ではない場合がある。このような場合には、電気ヒータで冷却水が沸騰したり過熱するおそれがある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、回生電力を得ることが可能な燃料電池システムにおいて、冷却系に悪影響を及ぼすことなく、余剰電力を確実に消費することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に供給される冷却水が循環する冷却水経路（４０）と、前記冷却水経路（４０）に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ（４１、６６）と、前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記冷却水の熱を大気に放出する放熱器（４３）と、前記冷却水経路（４０）において、前記燃料電池（１０）の下流側かつ前記放熱器（４３）の上流側に設けられ、前記冷却水を加熱する電気ヒータ（５１）と、前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、前記燃料電池（１０）、前記回生電力発生手段（１１、１２）あるいは前記２次電池（１３）の少なくとも１つからの電力を消費可能な電気負荷（１１、１６）と、前記燃料電池（１０）の発電電力と回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力との合計電力のうち前記負荷手段（１１、１６）の消費電力を超える第１余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する第１余剰電力処理手段（１００、Ｓ１８、Ｓ１９）と、前記第１余剰電力のうち前記２次電池（１３）の受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する際に発生する熱に対応する所定流量以上の場合に、前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する第２余剰電力処理手段（１００、Ｓ３５）と、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量未満の場合に、前記冷却水循環ポンプ（４１、６６）による冷却水流量を増大させるとともに、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する暫定余剰電力処理手段（１００、Ｓ２７、Ｓ２９）とを備えることを特徴としている。
【０００９】
これにより、回生電力にて発生する余剰電力は優先的に２次電池（１３）に蓄えられ、余剰電力が２次電池（１３）に受け入れ可能な電力以上の場合は、電気ヒータ（５１）で消費される。そして、余剰電力を消費する際の電気ヒータ（５１）での発熱に対して冷却水流量が充分でない場合には、一時的に２次電池（１３）の受入可能電力を増加させ、電気ヒータ（５１）で消費する余剰電力を一時的に２次電池（１３）に充電することで、冷却水流量が充分でない状態で電気ヒータ（５１）で余剰電力を消費して冷却水が沸騰したり過熱されたりすることを防止できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大前の値に戻す受入可能電力復帰手段（１００、Ｓ３３）を備えることを特徴としている。
【００１１】
これにより、２次電池（１３）の受入可能電力の増大は一時的なものとなり、２次電池（１３）に与える影響を最小限に抑えることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記電気ヒータ（５３）の作動を開始させることを特徴としている。
【００１３】
これにより、冷却水流量が充分な状態になってから電気ヒータ（５１）で余剰電力を消費することができるので、冷却水が沸騰したり過熱されたりすることがない。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明では、前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、前記第２余剰電力のうち前記電気ヒータ（５１）の消費電力を超える第３余剰電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴としている。
【００１５】
これにより、機械式ブレーキの使用を最小限に抑えることができ、乗車フィーリングの悪化を極力抑えることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明のように、冷却水と空調風を熱交換して空調風を加熱する暖房用熱交換器（５６）を備え、前記冷却水循環ポンプは、前記燃料電池（１０）に冷却水を供給する燃料電池用ポンプ（４１）または前記暖房用熱交換器（５６）に冷却水を供給する空調用ポンプ（６６）の少なくとも一方を用いることができる。
【００１７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態の車両空調装置の構成を示す概念図である。
【図３】ヒータコアの斜視図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムでの発電電力の処理を示すフローチャートである。
【図５】図４のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は冷却水必要流量と電気ヒータの消費電力の関係を示す特性図であり、（ｂ）は電気ヒータ消費電力と冷却水循環ポンプ回転数の関係を示す特性図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池冷却処理と車室内暖房処理を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００２０】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や２次電池１３、その他補機１６などの電気負荷に電力を供給するように構成されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００２１】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体の反応： Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。なお、本発明は燃料電池の種類を限定するものではなく、他の種類の燃料電池、例えばリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池にも適用可能である。
【００２２】
燃料電池１０にて発生した直流電力は、インバータ１２で交流電流に変換され走行用モータ１１に供給される。これにより、モータ１１は車輪駆動力を発生させ車両を走行させることができる。また、燃料電池１０が発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して、２次電池１３に蓄えることができる。
【００２３】
インバータ１２は、燃料電池１０や２次電池１３から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ１１に供給して、走行用モータ１１を駆動している。本第１実施形態の電気自動車では、車両減速時や降坂時に走行用モータ１１を発電機として作動させて発電を行うとともにブレーキ力を得る回生制動を行い、回生制動によって発電された回生電力はインバータ１２を介して２次電池１３に充電できるように構成されている。図示を省略しているが、本実施形態の電気自動車は機械式ブレーキを備えており、機械式ブレーキを使用した分だけ回生制動により発生する回生電力が小さくなる。なお、走行用モータ１１およびインバータ１２が本発明の回生電力発生手段に相当している。
【００２４】
また、本第１実施形態の燃料電池システムでは、２次電池１３が燃料電池１０と電気的に並列接続されており、燃料電池１０とともに２次電池１３からもモータ１１に電力を供給可能に構成されている。例えば、車両発進時や加速時などに大きな電力が必要な場合、燃料電池１０からだけでなく２次電池１３からも電力を取り出して走行用モータ１１に供給することで対応することができる。２次電池１３としては、例えば一般的なニッケル水素電池を用いることができる。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、２次電池１３と燃料電池１０とが同じ電圧になるように電圧変換を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、外部からの制御信号によって双方向に電力を伝達することができる。
【００２６】
燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４の間には、ダイオード１５が設けられている。このダイオード１５により、燃料電池１０に２次電池１３からの電流および走行用モータ１１、インバータ１２で回生された電流が流れ込み、燃料電池１０が破壊されるのを防いでいる。
【００２７】
補機１６は、燃料電池１０に空気を供給する空気供給装置３０、冷却水循環ポンプ用モータ４２などであり、インバータ１７を介して２次電池１３と接続されている。なお、本明細書では、走行用モータ１１と補機１６を電気負荷ともいう。
【００２８】
本第１実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の発電電力と走行用モータ１１による回生電力との合計から電気負荷１１、１６による消費電力を引いた差が第１余剰電力となり、第１余剰電力は２次電池１３に充電される。また、この第１余剰電力から２次電池１３の受入可能電力を引いた差が第２余剰電力となる。電気ヒータ５１が燃料電池１０およびインバータ１２と並列に接続されており、電気ヒータ５１に第２余剰電力を供給することができるように構成されている。
【００２９】
燃料電池１０には、水素供給装置２０から水素供給経路２１を介して水素が供給され、空気供給装置３０から空気供給経路３２を介して空気が供給されるように構成されている。
【００３０】
水素供給装置２０としては例えば水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。水素供給経路２１には、シャットバルブ２２および水素レギュレータ２３が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、シャットバルブ２２を開き、水素レギュレータ２３によって所望の圧力にした水素を燃料電池１に供給する。
【００３１】
水素排出経路２４からは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極から固体高分子膜を通過して混入した窒素、酸素などが排出される。水素排出経路２４には、シャットバルブ２５が設けられており、燃料電池１０の運転条件に応じて開閉される。
【００３２】
空気供給装置３０としては、例えばエアコンプレッサを用いることができる。エアコンプレッサ３０は、コンプレッサ用モータ３１にて駆動される。空気供給経路３２には供給空気加湿用の加湿器３３が設けられている。加湿器３３は燃料電池１０から排出される排気空気に含まれる水分を回収し、この水分を用いてエアコンプレッサ３０の吐出後の空気を加湿する装置である。これにより、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１０内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておくことができる。
【００３３】
空気排出経路３４からは、未反応空気、蒸気（あるいは水）および水素極から固体高分子膜を通過して混入した水素などが排出される。レギュレータ３５は、空気排出経路３４に設けられており、燃料電池１０を効率的に運転するために、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整している。
【００３４】
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。
【００３５】
冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路４０、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ４１、冷却水の放熱を行うラジエータ４３等から構成されている。冷却水としては、低温時でも凍結しないようにエチレングリコールと水の混合溶液を用いている。なお、冷却水が本発明の熱媒体に相当し、冷却水経路４０が本発明の熱媒体経路に相当し、ラジエータ４３が本発明の放熱器に相当している。
【００３６】
冷却水循環ポンプ４１はポンプ用モータ４２と機械的に接続されており、ポンプ用モータ４２を回転させることにより冷却水循環ポンプ４１を回転させて燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。冷却水循環ポンプ４１の回転数を調整することで、冷却水経路４０の冷却水流量を調整することができる。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。
【００３７】
冷却ファン４４は冷却ファンモータ４５と機械的に接続されており、冷却ファンモータ４５を回転させることにより冷却ファン４４を回転させてラジエータ４３に送風し、ラジエータ４３より熱を外気に放出させることができる。なお、ラジエータ４３は車両走行時に走行風（ラム圧）を利用できる位置に搭載するのがのぞましい。
【００３８】
サーモスタット４６は、公知の技術であり冷却水温度が所定の値より大きい場合は、ラジエータ４３側に冷却水が流れるようにし、逆に冷却水温度が所定の値より小さい場合はラジエータバイパス経路４７に冷却水が流れるよう制御することで温度制御を行っている。
【００３９】
このような冷却系によって、冷却水循環ポンプ４１による流量制御、冷却ファン４４による風量制御、サーモスタット４６によるバイパス制御で冷却水の温度を調整し、燃料電池１０の温度制御を行うことができる。
【００４０】
また、本第１実施形態の構成では、冷却水が直接燃料電池１０内部と接するため、冷却水の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本第１実施形態では、冷却水経路４０にイオン吸着用経路４８を設け、イオン吸着用経路４８にイオン交換樹脂（イオン吸着手段）４９を配置している。
【００４１】
イオン交換樹脂４９は、各部品より冷却水に溶出したイオンを吸着し、冷却水の導電率上昇を抑えることができる。ちなみにイオン吸着装置４９は、冷却水が流れる位置であれば、どこに設置してもよい。さらに、本第１実施形態では、導電率の小さい冷却水として、エチレングリコールと水の混合物を用いている。
【００４２】
また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口近傍には、冷却水温度を検出する温度センサ５０が設けられている。
【００４３】
冷却水経路４０における燃料電池１０の下流側であってラジエータ４３の上流側には、冷却水を加熱する電気ヒータ５１が設けられている。上述のように電気ヒータ５１には燃料電池システムの余剰電力が供給される。電気ヒータ５１は、供給電力を調整することで出力（加熱温度）を調整できる。また、電気ヒータ５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの電力変換器を介することなくインバータ１２と直接接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して電気的に接続した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が破壊したときに電気ヒータ５１にて電力消費ができなくなり回生制動ができなくなる。このため、これらを電気的に直接接続することで燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００４４】
冷却水として、エチレングリコール水溶液を用いた場合には、酸素存在下で熱分解温度以上になると分解してギ酸などの有機酸を生成する。これらの有機酸は、冷却水中でイオン化し冷却水の導電率を上昇させる。電気ヒータ５１は冷却水と接する表面の温度がもっとも高くなるので、本第１実施形態では電気ヒータ５１の冷却水と接する表面あるいは電気ヒータ５１内部の冷却水と接する表面近傍に温度センサ５２を設けている。
【００４５】
本第１実施形態では、温度センサ５２にて検出した温度に基づいて、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように冷却水の温度制御を行う。この温度制御を開始する温度を、熱分解温度以下の熱分解速度が大きくなる温度に設定してもよい。電気ヒータ５１による加熱温度を低下させるためには、電気ヒータ５１に循環する冷却水流量を増加させるか、あるいは電気ヒータ５１に供給する電力を低下させる。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂４９の寿命を長くすることができる。
【００４６】
冷却水経路４０には、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための電気ヒータバイパス経路５３が設けられている。電気ヒータバイパス経路５３は、電気ヒータ５１の上流側で冷却水経路４０から分岐し、電気ヒータ５１の下流側で冷却水経路４０に合流している。冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３との分岐点には、流量調整弁（電気ヒータバイパス流量調整手段）５４が設けられている。本第１実施形態では、流量調整弁５４としてロータリバルブを用いている。流量調整弁５４により、電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に流れる冷却水の割合をそれぞれ０〜１００％の間で任意に調整することができる。
【００４７】
冷却水経路４０における電気ヒータ５１の下流側であってラジエータ４３の上流側には、室内暖房用ユニット５５が設けられている。室内暖房用ユニット５５は、ヒータコア（暖房用放熱器）５６、室内暖房用ファン５７、ファン用モータ５８、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁（暖房用放熱器バイパス流量調整手段）６０を備えている。
【００４８】
ヒータコア５６は冷却水を熱源として、ヒータコア５６を通過する空気を加熱するものである。室内暖房用ファン５７は室内暖房用ファンモータ５８と機械的に接続されており、室内暖房用ファンモータ５８を回転させることにより室内暖房用ファン５７を回転させてヒータコア５６に送風する。
【００４９】
図２は、車両用空調装置の構成を示す概念図である。図２に示すように、車室内空気あるいは車室外空気を室内暖房用ファン５７によってヒータコア５６に送り、ヒータコア５６を通過後の空気を車室内に送風できるように、ヒータコア５６および室内暖房用ファン５７の周囲にはダクトが設置されている。
【００５０】
図２に示すように、室内暖房用ファン１３は室内空気あるいは室外空気のエバポレータ６２に送られる。エバポレータ６２は、内部で低圧低温の冷媒が蒸発することで空気の冷却を行うものである。ヒータコア５６は、エバポレータ６２の空気流れ下流側に設置されている。ヒータコア５６には、エバポレータ６２通過後の空気をヒータコア５６を通過させるかどうかを制御するエアミックスドア６３が設けられている。
【００５１】
空気温度を低くして冷房したい場合には、エアミックスドア６３を閉じてヒータコア５６に空気が通過しないようにする。逆に空気温度を高くして暖房したい場合には、エアミックスドア６３を開いてヒータコア５６に空気が通過するようにする。除湿を行う場合には、エアミックスドア６３を開いてエバポレータ６２で冷却除湿した空気をヒータコア５６で加熱し、室内に導入する。エアミックスドア６３はオンオフ制御ではなく、必要な空気温度に応じ開度を調節できる。
【００５２】
ここで、常にヒータコア５６に温水が流れる構成とすると、例えば夏場で暖房の必要がないときにも、ヒータコア５６から熱が放出され空調性能に悪影響を与えたり、室内冷房のためのエネルギーが余分に必要になり車両燃費を悪化させることになる。特にエネルギー回生時は、ヒータコア５６の上流にある電気ヒータ５１から大きな熱が冷却水に放出されるので、エアミックスドア６３を閉じただけでは充分でなく、回生電力による熱が車室内に侵入することが考えられる。また、エアミックスドア６３の設置のために大きなスペースを必要とする。そこで本第１実施形態では、オンオフ弁６０およびバイパス経路５９を設置することで上記の問題を回避している。
【００５３】
図１に戻り、暖房用放熱器バイパス経路５９は、ヒータコア５６をバイパスするように冷却水経路４０に設けられており、ヒータコア５６の上流側で冷却水経路４０から分岐し、ヒータコア５６の下流側で冷却水経路４０に合流している。
【００５４】
オンオフ弁６０は、冷却水経路４０における暖房用放熱器バイパス経路５９との分岐点の下流側であってヒータコア５６の上流側に設けられている。オンオフ弁６０は、外部からの制御で冷却水循環流路４０を開閉可能な電気式の開閉弁であり、通常時（非通電時）は閉状態となっている。オンオフ弁６０を開状態にすることで冷却水はヒータコア５６に流れ、オンオフ弁６０を閉状態にすることで冷却水は暖房用放熱器バイパス経路５９に流れる。このような簡易な構成のオンオフ弁６０を用いることで、システムを簡易な構成とすることができ、コスト低減を図ることができる。
【００５５】
図３はヒータコア５６の斜視図である。ヒータコア６０はチューブとフィンで構成される熱交換器であり、チューブ内を冷却水が流れ、外部を空気が流れ熱交換を行うことができる。図３中の矢印は冷却水の流れを示している。また、図３に示すように、ヒータコア５６、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁６０が一体的に構成されている。これらの構成要素５６、５９、６０を一体化することで、車両への搭載性を向上させることができる。なお、これらの構成要素５６、５９、６０のうち任意の２つの組合せを一体化した場合も車両への搭載性を向上させることができる。
【００５６】
図１に戻り、本第１実施形態の燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ６１が設けられている。さらに燃料電池システムには、車両システムおよび各構成機器を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御装置１００は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種制御機器の作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って各種演算等の処理を実行する。本発明の熱媒体温度調整手段は、ＥＣＵ１００により構成される。ＥＣＵ１００は、温度センサ５２、６１の検出温度に基づいて、電気ヒータ５１に対する電力供給量の調整、冷却水流量の調整等を行い、冷却水温度を調整する。また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０の発電電力および走行用モータ１１による回生電力を、電気負荷１１、１６、２次電池１３、電気ヒータ５１に振り分け、余剰電力を消費するように構成されている。
【００５７】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムでの発電電力の処理について図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５８】
まず、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃを算出する（Ｓ１０）。次に、ブレーキ踏力等から車両制動トルク指令値Ｔａを算出し、車両制動トルク指令値Ｔａから回生電力Ｐｂを算出する（Ｓ１１）。次に、電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを算出する（Ｓ１２）。
【００５９】
次に、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃと回生電力Ｐｂとの合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂが電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを上回っているか否か（Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃであるか否か）を判定する（Ｓ１３）。この結果、Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃでないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂのすべてを電気負荷１１、１６で消費する（Ｓ１４）。
【００６０】
一方、Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃであると判定された場合（Ｓ１３：ＮＯ）、すなわち合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂが電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを上回る場合には、合計電力Ｐｆｃ＋Ｐｂから電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを引いた差である第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが発生するので、電力Ｐｃを電気負荷１１、１６で消費させ（Ｓ１５）、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を算出する（Ｓ１６）。２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１は、２次電池１３の種類、２次電池１３の温度、ＳＯＣ（充電量）、ＳＯＣ上限値（充電量の上限値）等に基づいて算出することができる。ＳＯＣは、満充電に対する残存容量（％）で示される。２次電池１３のＳＯＣ上限値は、２次電池１３の性能が低下するＳＯＣ限界値（例えば８０％）より低く設定されており、本実施形態では満充電の７０％（初期値）に設定している。
【００６１】
次に、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１であるか否か）を判定する（Ｓ１７）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１でないと判定された場合には（Ｓ１７：ＮＯ）、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃを２次電池１３に充電する（Ｓ１８）。
【００６２】
一方、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１であると判定された場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、すなわち第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を上回る場合には、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃから２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を引いた差である第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が発生するので、電力Ｐｉ１を２次電池１３に充電し（Ｓ１９）、第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費させるための電気ヒータ制御処理を行う（Ｓ２０）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ１８、Ｓ１９の処理が本発明の第１余剰電力処理手段に相当している。
【００６３】
ここで、電気ヒータ制御処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈを算出する（Ｓ２１）。電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈは、冷却水温度、ラジエータ４３の容量、ヒータコア５６の容量等に基づいて算出することができる。
【００６４】
次に、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が、電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈを上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈであるか否か）判定する（Ｓ２２）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈでないと判定された場合（Ｓ２２：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力を電気ヒータ５１で受入可能である場合には、電気ヒータ５１で受入可能電力Ｐｈを消費する際の冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを算出する（Ｓ２３）。Ｓ２３で算出する冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒは、電気ヒータ５１で第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を消費する際に、冷却水温度が熱分解温度以下を維持するために必要な冷却水流量を確保するのに必要となる冷却水循環ポンプ４１の回転数である。
【００６５】
図６（ａ）は、冷却水必要流量と電気ヒータ５１の消費電力の関係を示している。図６（ａ）に示すように、電気ヒータ５１の消費電力が多くなるほど、電気ヒータ５１の発熱量が大きくなるので、必要冷却水流量が増大する。また、冷却水温度が高いほど、沸騰や過熱しやすいので、電気ヒータ５１の消費電力が同じであっても、冷却水必要流量が多くなる。
【００６６】
次に、図５に戻り、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐを取得する（Ｓ２４）。そして、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを下回っているか否か（Ｒｐ＜Ｒｒであるか否か）を判定する（Ｓ２５）。このＳ２５の処理では、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が充分な量であるか否かが判定される。
【００６７】
この結果、Ｒｐ＜Ｒｒであると判定された場合には（Ｓ２５：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分ではなく、電気ヒータ５１を作動させた場合には、冷却水が沸騰したり過熱したりするおそれがある。このため、電気ヒータ５１を作動させることなく、冷却水循環ポンプ４１の回転数を上昇させる（Ｓ２６）。これにより、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を増大させることができる。
【００６８】
図６（ｂ）は、電気ヒータ５１の消費電力と冷却水循環ポンプ４１の回転数の関係を示している。図６（ｂ）に示すように、ｔ１の時点で電気ヒータ５１の消費電力を増大させ、冷却水循環ポンプ４１の回転数を増大させた場合には、電気ヒータ５１の消費電力の変化に対して、冷却水循環ポンプ４１の回転数の変化が遅れ、ｔ２の時点で増大後の電気ヒータ５１の消費電力に対応する回転数に到達する。そこで、本実施形態では、ｔ１からｔ２に至るまでの間、電気ヒータ５１で消費する電力（図６（ｂ）の斜線で示す部分）を一時的に２次電池１３に充電している。
【００６９】
次に、図５に戻り、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値（７０％）から所定値に増大させ、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ２を算出する（Ｓ２７）。ここで、増大後のＳＯＣ上限値である「所定値」は、初期値（７０％）より大きく、かつ、上述のＳＯＣ限界値（８０％）より小さい値として設定され、本実施形態では７３％に設定している。ＳＯＣ上限値増大は、冷却水循環ポンプ４１の回転数の応答遅れ分の電力を吸収できればよく、ＳＯＣ上限値を大幅に引き上げる必要はない。このため、ＳＯＣ上限値増大による２次電池１３の劣化に対する影響を小さくできる。
【００７０】
次に、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ２を上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２であるか否か）判定する（Ｓ２８）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２でないと判定された場合（Ｓ２８：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力をＳＯＣ上限値変更後の２次電池１３で受入可能である場合には、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を２次電池１３に充電し（Ｓ２９）、Ｓ２４の処理に戻る。その後、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒ以上となるまで（Ｒｐ≧Ｒｒとなるまで）、すなわち、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分な流量となるまで、Ｓ２６〜Ｓ２９の処理を繰り返し行う。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ２７、Ｓ２９の処理が本発明の暫定余剰電力処理手段に相当している。
【００７１】
Ｓ２８の判定処理で、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２であると判定された場合（Ｓ２８：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力をＳＯＣ上限値変更後の２次電池１３で受入できない場合には、この第２余剰電力分は回生電力Ｐｂを低く抑える必要があり、この第２余剰電力分だけ回生制動が効かなくなるので、第２余剰電力に相当するエネルギを機械式ブレーキで消費する（Ｓ３０）。これにより、第２余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。その後、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値（７０％）に設定する（Ｓ３１）。
【００７２】
次に、Ｓ２５の判定処理で、Ｒｐ＜Ｒｒでないと判定された場合には（Ｓ２５：ＮＯ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分な流量であると判断できる。このため、２次電池１３のＳＯＣ上限値が初期値（７０％）であるか否かを判定する（Ｓ３２）。この結果、ＳＯＣ上限値が初期値（７０％）である場合には（Ｓ３２：ＹＥＳ）、Ｓ３５の処理に移行し、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）で電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３５）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ３５の処理が本発明の第２余剰電力処理手段に相当している。
【００７３】
一方、ＳＯＣ上限値が初期値（７０％）でない場合には（Ｓ３２：ＮＯ）、Ｓ２７の処理でＳＯＣ上限値が増大され、Ｓ２９の処理で第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が２次電池１３に充電されていると考えられる。このため、ＳＯＣ上限値を初期値（７０％）に設定し（Ｓ３３）、２次電池１３から第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を放電する（Ｓ３４）。そして、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）で電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３５）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ３３の処理が本発明の受入可能電力復帰手段に相当している。
【００７４】
次に、Ｓ２３の判定処理で、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈであると判定された場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、すなわち第２余剰電力を電気ヒータ５１で受入できない場合には、冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを算出する（Ｓ３６）。Ｓ３６で算出する冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒは、電気ヒータ５１で受入可能電力Ｐｈを消費する際に、冷却水温度が熱分解温度以下を維持するために必要な冷却水流量を確保するのに必要となる冷却水循環ポンプ４１の回転数である。
【００７５】
次に、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐを取得する（Ｓ３７）。そして、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを下回っているか否か（Ｒｐ＜Ｒｒであるか否か）を判定する（Ｓ３８）。
【００７６】
この結果、Ｒｐ＜Ｒｒでないと判定された場合には（Ｓ３８：ＮＯ）、電気ヒータ４１を電力Ｐｈを消費する際の発熱に対して冷却水流量が充分であると判断できる。このため、Ｐｈで電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３９）。このとき、電気ヒータ５１で吸収しきれなかった第３余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ＋Ｐｈ）が発生する。この第３余剰電力分は回生電力Ｐｂを低く抑える必要があり、この第３余剰電力分だけ回生制動が効かなくなるので、機械式ブレーキで消費する（Ｓ４０）。これにより、第３余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。
【００７７】
一方、Ｒｐ＜Ｒｒであると判定された場合には（Ｓ３８：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分ではなく、電気ヒータ５１を作動させた場合には、冷却水が沸騰したり過熱したりするおそれがある。このため、電気ヒータ５１を作動させることなく、第２余剰電力分（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ）を機械式ブレーキで消費する（Ｓ４１）。これにより、第２余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。
【００７８】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池冷却と車室内暖房について図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００７９】
まず、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃと燃料電池１０出口における冷却水温度Ｔｏｕｔを検出する（Ｓ１００）。次に、燃料電池１０の冷却に必要とする冷却水流量Ｖｆｃを算出する（Ｓ１０１）。
【００８０】
次に、余剰電力（上述した第２余剰電力）を電気ヒータ５１で処理するか否かを判定する（Ｓ１０２）。この結果、余剰電力を電気ヒータ５１で処理しないと判定された場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっているか否かを判定する（Ｓ１０３）。この結果、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていないと判定された場合には（Ｓ１０３：ＮＯ）、流量調整弁５４を電気ヒータバイパス経路５３側に切り替え、すべての冷却水が電気ヒータバイパス経路５３側に流れるようにし（Ｓ１０３）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の処理では、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとしている。燃料電池１０を通過後の冷却水は、ラジエータ４３あるいはラジエータバイパス経路４７に流れることで温度が調整される。
【００８１】
一方、Ｓ１０３の判定処理で、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていると判定された場合には（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、オンオフ弁６０を開状態とし（Ｓ１０６）、ヒータコア５６での必要暖房能力から電気ヒータ５１の要求電力Ｐｈ２を求め、要求ヒータ電力Ｐｈ２から電気ヒータ５１の必要冷却水流量Ｖｈ２を算出する（Ｓ１０７）。
【００８２】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ２が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１０８）。この結果、Ｖｈ２＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１０８：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１０９）、Ｓ１１１の処理に移行する。
【００８３】
一方、Ｖｈ２＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ２、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ２）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１０）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１１１）。Ｓ１１０に続いてＳ１１１の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１０９に続いてＳ１１１の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ２となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。そして、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ２で作動させる（Ｓ１１２）。所望の暖房性能が得られるように室内暖房用ファンモータ５８の回転数を制御する。
【００８４】
車両走行開始時には冷却水温度が低いので、このように電気ヒータ５１にて補助的に冷却水を加熱することで暖房能力を向上させることができる。この場合、電気ヒータ５１は燃料電池１０あるいは２次電池１３からの電力を用いて発電させる。
【００８５】
上記Ｓ１０２において余剰電力を電気ヒータ５１で処理すると判定された場合には、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっているか否かを判定する（Ｓ１１３）。この結果、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていないと判定された場合には（Ｓ１１３：ＮＯ）、余剰電力を電気ヒータ５１にて処理するヒータ処理電力Ｐｈ１から電気ヒータ５１の必要冷却水流量Ｖｈ１を算出する（Ｓ１１４）。
【００８６】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ１が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１１５）。この結果、Ｖｈ１＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１１５：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１６）、Ｓ１１８の処理に移行する。
【００８７】
一方、Ｖｈ１＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１１５：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ１、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ１）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１７）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１１８）。Ｓ１１７に続いてＳ１１８の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１１６に続いてＳ１１８の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ１となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。
【００８８】
次に、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さいか否かを判定する（Ｓ１１９）。この結果、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さい場合には（Ｓ１１９：ＹＥＳ）、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となるまで待機する。そして、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となった場合には（Ｓ１１９：ＮＯ）、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ１で作動させる（Ｓ１２０）。余剰電力は電気ヒータ５１にて熱に変換され、冷却水を介してラジエータ４３で外気に排出される。
【００８９】
上記Ｓ１１３で車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていると判定された場合には、オンオフ弁６０を開状態とし（Ｓ１２１）、ヒータ処理電力Ｐｈ１と要求ヒータ電力Ｐｈ２のうち大きい方の電力Ｐｈ３を用い、電気ヒータ５１に流す冷却水流量Ｖｈ１を算出する（Ｓ１２２）。
【００９０】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ１が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１２３）。この結果、Ｖｈ１＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１２３：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１２４）、Ｓ１２６の処理に移行する。
【００９１】
一方、Ｖｈ１＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１２３：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ１、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ１）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１２５）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１２６）。Ｓ１２５に続いてＳ１２６の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１２４に続いてＳ１２６の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ１となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。
【００９２】
次に、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さいか否かを判定する（Ｓ１２７）。この結果、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さい場合には（Ｓ１２７：ＹＥＳ）、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となるまで待機する。そして、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となった場合には（Ｓ１２７：ＮＯ）、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ３で作動させる（Ｓ１２８）。余剰電力は電気ヒータ５１にて熱に変換され、冷却水を介してラジエータ４３で外気に排出される。
【００９３】
以上説明した本実施形態の構成によれば、回生電力にて発生する余剰電力は優先的に２次電池１３に蓄えられ、余剰電力が２次電池１３に受け入れ可能な電力以上の場合は、電気ヒータ５１で消費される。そして、電気ヒータ５１で消費できない余剰電力分を機械式ブレーキで対応している。この結果、機械式ブレーキの使用頻度を低減でき、乗車フィーリングの悪化を防ぐことができる。
【００９４】
また、余剰電力を消費する際の電気ヒータ５１での発熱に対して冷却水流量が充分でない場合（冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分上昇していない場合）には、２次電池１３のＳＯＣ上限値を増加させ、電気ヒータ５１で消費する余剰電力を一時的に２次電池１３に充電することで、冷却水流量が充分でない状態で電気ヒータ５１で余剰電力を消費して冷却水が沸騰したり過熱されたりすることを防止できる。その後、余剰電力を消費する際の電気ヒータ５１での発熱に対して冷却水流量が充分に増加したとき（冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分上昇したとき）に、電気ヒータ５１を作動開始することで、電気ヒータ５１で余剰電力を消費しても、冷却水が沸騰したり過熱されたりすることがない。
【００９５】
また、本実施形態では、２次電池１３のＳＯＣ上限値を増大させ、第２余剰電力を２次電池１３に充電した後、冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分に上昇した（電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が充分な流量となった）ときに、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値に戻している。これにより、２次電池１３のＳＯＣ上限値の増大（２次電池受入可能電力の増大）は一時的なものとなり、２次電池１３の性能に与える影響を最小限に抑えることができる。
【００９６】
なお、回生電力が発生するのは主に減速時や降坂時であり、この場合には燃料電池１０は発電停止あるいは発電電力が小さくなっているため、燃料電池１０の必要冷却能力も小さくなる。ラジエータ４３は燃料電池１０が最大出力時に充分に冷却が行えるように設計されるので、燃料電池１０の発電量が小さい場合にはラジエータ４３の能力が余っていることになり、そのときに電気ヒータ５１で熱を発生させその熱をラジエータ４３にて外気に放出すれば、ラジエータ４３の体格を大きくする必要はなく、新たな放熱器を搭載する必要もない。
【００９７】
また、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせることができる電気ヒータバイパス経路５３を設け、電気ヒータ５１に冷却水を流す必要がない場合には、冷却水が電気ヒータ５１をバイパスできるように構成することで、冷却回路の圧力損失増加を抑制でき、冷却水循環ポンプ４１の消費電力増加を回避できる。
【００９８】
さらに、電気ヒータ５１で発生した熱をヒータコア５６を介して室内暖房に用いることで、回生制動で発生する余剰電力を有効に再利用することが可能となる。また、回生電力量は車重や減速度にもよるが、通常車室内の暖房必要能力よりも大きい。このため、電気ヒータ５１の発熱時で室内暖房が必要ないときにヒータコア５６に冷却水が流れると、室内暖房用ファン５７は停止していてもヒータコア５６表面から放熱し、車室内に影響を与える可能性がある。そこで、本第１実施形態では、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁６０を設けることでそのような悪影響を回避している。
【００９９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、主に冷却水を燃料電池１０には循環させないで、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環させることが可能な冷却水閉ループを形成した点が異なる。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１００】
図８は、本第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図８では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。
【０１０１】
図８に示すように、上記第１実施形態のサーモスタット４６の代わりに、本第２実施形態では冷却水経路４０とラジエータバイパス経路４７との合流点に流量調整弁６４を設けている。本実施形態では、この流量調整弁６４を第２流量調整弁６４とし、上述の流量調整弁５４を第１流量調整弁５４とする。また、冷却水経路４０におけるラジエータ４３の下流側に温度センサ６５を設けている。
【０１０２】
第２流量調整弁６４と温度センサ６５の基本的な機能は、上記第１実施形態のサーモスタット４６と同様である。すなわち、ラジエータ４３通過後の冷却水温度を温度センサ６５にて検出し、その温度検出値に基づいて所望の冷却水温度になるように、第２流量調整弁６４を操作し、ラジエータ４３あるいはバイパス経路４７に流れる冷却水流量比を制御することができる。さらに本第２実施形態の第２流量調整弁６４は上記機能に加え、冷却水経路４０の上流側と下流側、バイパス経路４７の全方向にシャットできるように構成されている。
【０１０３】
冷却水経路４０における第１流量調整弁５４の下流側であって電気ヒータ５１の上流側に第２の冷却水循環ポンプ６６が設けられている。この冷却水循環ポンプ６６は、冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡのいずれの箇所に設けてもよい。本実施形態では、閉ループＡに設けられる冷却水循環ポンプ６６を第２冷却水循環ポンプ６６とし、第１実施形態で説明した冷却水循環ポンプ４１を第１冷却水循環ポンプ４１とする。第２冷却水循環ポンプ６６は、第１冷却水循環ポンプ４１に比較して循環させる冷却水が少ないので、第１冷却水循環ポンプ４１より小型のものを用いることができる。
【０１０４】
第１冷却水循環ポンプ４１は、主に燃料電池１０に冷却水を供給する燃料電池冷却用ポンプとして構成され、第２冷却水循環ポンプ６６は、主にヒータコア５６に冷却水を供給する空調用ポンプとして構成される。なお、上記第１実施形態で説明したＳ２６の処理（図５参照）では、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を増大させればよく、第１冷却水循環ポンプ４１または第２冷却水循環ポンプ６６の少なくとも一方を作動させることで行うことができる。
【０１０５】
本第２実施形態の第１流量調整弁５４は、燃料電池１０から流れてきた冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に０〜１００％の範囲で分配する機能に加え、電気ヒータバイパス経路５３から流れてくる冷却水を電気ヒータ５１側に流す機能を有している。
【０１０６】
第２流量調整弁６４を全方向に閉じ、第２冷却水循環ポンプ６６を作動させることで、冷却水は冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡを循環する。この場合には、冷却水は燃料電池１０には循環せず、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環することとなる。
【０１０７】
このように、閉ループＡは熱容量の大きい燃料電池１０とは独立した暖房回路となるので、熱容量を小さくでき暖房の立ち上がり性能を向上できる。さらに燃料電池１０や配管などからの放熱を減少できるので、熱損失を低減でき立ち上がり性能を向上できる。また、圧力損失の大きな燃料電池１０を通過しない回路を形成できるので、燃料電池１０が発電していないときに暖房のみを使用したいときは第２冷却水循環ポンプ６６で冷却水を循環させることで、第１冷却水循環ポンプ６６の消費動力を低減できる。
【０１０８】
本第２実施形態では、冷却水経路４０における電気ヒータ５１の直下に水素を燃料とする触媒燃焼式ヒータ６７を設けている。例えば氷点下においては、燃料電池１０が発電起動できなかったり、さらには２次電池１３も電解液が凍結して電力が得られない場合がある。このため、本第２実施形態では、水素触媒ヒータ６７を補助用ヒータとして電気ヒータ５１と併設し、電気ヒータ５１の電力が得られない場合の熱源として用いている。水素触媒ヒータ６７を熱源として、室内暖房を行ったり、燃料電池１０を暖機することができる。
【０１０９】
また、水素触媒ヒータ６７の冷却水と接する表面あるいは水素触媒ヒータ６７内部の冷却水と接する表面近傍に、電気ヒータ５１と同様に温度センサ６８を設けている。発熱するヒータ６７表面において、冷却水の温度が高くなるので、ヒータ６７表面近傍の温度を検出することで、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように制御する。この制御は熱媒体温度調整手段としてのＥＣＵ１００により行われる。
【０１１０】
水素触媒ヒータ６７の温度を低下させるためには、冷却水の流量を増加させるか、あるいは水素触媒ヒータ６７に供給する水素量を減少させるか、あるいは供給空気量を増加させればよい。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂の寿命を増加させることができる。
【０１１１】
また、補助用ヒータとして水素触媒ヒータ６７を用いる理由は、燃料電池１０の燃料である水素を用いることができ、かつ燃焼式ヒータに比べて作動温度が低い（６００℃以下）からである。
【０１１２】
また、低温環境下では触媒の活性が低く、燃焼起動できなかったり、未燃水素が多く発生する。このため、水素触媒ヒータ６７を電気ヒータ５１の直下に設けることで、低温時に電気ヒータ５１を作動させ冷却水を加熱し、触媒を活性温度以上に昇温させることができる。このとき、回生電力により余剰電力が発生していれば、余剰電力により電気ヒータ５１を介して触媒を加熱することができることになる。
【０１１３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータバイパス経路５３が設けられていない点が異なるものである。以下、上記第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１４】
図９は、本第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図９では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。
【０１１５】
図９に示すように、本第３実施形態では、電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７をバイパスさせる電気ヒータバイパス経路５３が存在しない。このため、冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に分配する第１流量調整弁５４を設ける必要がなく、冷却水経路４０の構成を簡素にできる。
【０１１６】
本第３実施形態では、車室内の暖房が必要なときは、オンオフ弁６０を開状態とし、必要に応じて電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７を駆動し冷却水を加熱する。また、本第３実施形態でも、上記第１実施形態、第２実施形態と同様に回生電力を熱としてラジエータ４３あるいはヒータコア５６で消費することができる。
【０１１７】
さらに、本第３実施形態のシステム構成をさらに簡略化するためには、オンオフ弁６０と暖房用放熱器バイパス経路５９を廃止する構成としてもよい。
【０１１８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータ５１を含む閉ループの構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１９】
図１０に示すように、本第４実施形態では、冷却水経路４０に、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための第２の電気ヒータバイパス経路６９が設けられている。本実施形態では、この電気ヒータバイパス経路６９を第２電気ヒータバイパス経路６９とし、上述の電気ヒータバイパス経路５３を第１電気ヒータバイパス経路５３としている。
【０１２０】
第２電気ヒータバイパス経路６９は、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との分岐点より下流側で分岐し、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との合流点より上流側で合流する。また、本実施形態の流量調整弁５４は、冷却水経路４０と第２の電気ヒータバイパス経路６９の分岐点に設けられている。
【０１２１】
このような構成によって、冷却水は冷却水経路４０と第２電気ヒータバイパス経路６９からなる第２の閉ループＢを循環することができる。また、冷却水経路４０と第１電気ヒータバイパス経路５３によって、閉ループＢとは独立して燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。
【０１２２】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。
【０１２３】
例えば、図１で示した例では１個のＥＣＵ１００を用いて各種制御を行っているが、機器毎にＥＣＵを設け、それぞれのＥＣＵ同士で通信を行うように構成してもよい。
【０１２４】
また、図１に示したＳ２５の判定処理では、冷却水循環ポンプ４１の回転数から間接的に推定した電気ヒータ５１の冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応しているか否かを判定したが、これに限らず、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を直接測定し、測定した冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応しているか否かを判定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１０ 燃料電池
１１ 走行用モータ（回生電力発生手段、電気負荷）
１２ インバータ（回生電力発生手段）
１３ ２次電池
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ 補機（電気負荷）
４０ 冷却水経路（熱媒体経路）
４１ 冷却水循環ポンプ
４３ ラジエータ（放熱器）
５１ 電気ヒータ
５３ 電気ヒータバイパス経路
５４ 流量制御弁
５６ ヒータコア（暖房用放熱器）
５９ 暖房用放熱器バイパス経路
６０ オンオフ弁
６６ 冷却水循環ポンプ
６７ 水素触媒ヒータ
１００ 電子制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を駆動源とする燃料電池車両では、一般に減速時や降坂時に車両駆動用モータ等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を２次電池（電力貯蔵装置）に蓄え、次の発進時や加速時に利用することで、車両燃費、車両加速性能を向上させることが行われている。
【０００３】
しかしながら、降り坂が連続して続くような場合には、回生電力により２次電池が満充電状態になってしまい、駆動用モータからの回生電力を２次電池に蓄えることができなくなり、回生制動による制動力を得ることができなくなるという問題があった。このような場合、回生制動が利用できないために機械式のブレーキのみに依存することになり、さらには燃料電池車両では内燃機関車両などに比べてエンジンブレーキがない分だけ、機械式ブレーキの大型化やブレーキの操作頻度が上昇することに伴う運転者の負担増、乗車フィーリングの悪化といった問題があった。
【０００４】
このため回生制動による余剰電力を処理するために、燃料電池の冷却水回路に電気ヒータを設け、２次電池への充電を優先しつつ、余剰電力を電気ヒータで消費させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３４１３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、電気ヒータで余剰電力を消費する際に、冷却水循環ポンプの応答遅れによって、電気ヒータの発熱に対して電気ヒータに流れる冷却水流量が充分ではない場合がある。このような場合には、電気ヒータで冷却水が沸騰したり過熱するおそれがある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、回生電力を得ることが可能な燃料電池システムにおいて、冷却系に悪影響を及ぼすことなく、余剰電力を確実に消費することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に供給される冷却水が循環する冷却水経路（４０）と、前記冷却水経路（４０）に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ（４１、６６）と、前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記冷却水の熱を大気に放出する放熱器（４３）と、前記冷却水経路（４０）において、前記燃料電池（１０）の下流側かつ前記放熱器（４３）の上流側に設けられ、前記冷却水を加熱する電気ヒータ（５１）と、前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、前記燃料電池（１０）、前記回生電力発生手段（１１、１２）あるいは前記２次電池（１３）の少なくとも１つからの電力を消費可能な電気負荷（１１、１６）と、前記燃料電池（１０）の発電電力と回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力との合計電力のうち前記負荷手段（１１、１６）の消費電力を超える第１余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する第１余剰電力処理手段（１００、Ｓ１８、Ｓ１９）と、前記第１余剰電力のうち前記２次電池（１３）の受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する際に発生する熱に対応する所定流量以上の場合に、前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する第２余剰電力処理手段（１００、Ｓ３５）と、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量未満の場合に、前記冷却水循環ポンプ（４１、６６）による冷却水流量を増大させるとともに、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する暫定余剰電力処理手段（１００、Ｓ２７、Ｓ２９）とを備えることを特徴としている。
【０００９】
これにより、回生電力にて発生する余剰電力は優先的に２次電池（１３）に蓄えられ、余剰電力が２次電池（１３）に受け入れ可能な電力以上の場合は、電気ヒータ（５１）で消費される。そして、余剰電力を消費する際の電気ヒータ（５１）での発熱に対して冷却水流量が充分でない場合には、一時的に２次電池（１３）の受入可能電力を増加させ、電気ヒータ（５１）で消費する余剰電力を一時的に２次電池（１３）に充電することで、冷却水流量が充分でない状態で電気ヒータ（５１）で余剰電力を消費して冷却水が沸騰したり過熱されたりすることを防止できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大前の値に戻す受入可能電力復帰手段（１００、Ｓ３３）を備えることを特徴としている。
【００１１】
これにより、２次電池（１３）の受入可能電力の増大は一時的なものとなり、２次電池（１３）に与える影響を最小限に抑えることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記電気ヒータ（５３）の作動を開始させることを特徴としている。
【００１３】
これにより、冷却水流量が充分な状態になってから電気ヒータ（５１）で余剰電力を消費することができるので、冷却水が沸騰したり過熱されたりすることがない。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明では、前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、前記第２余剰電力のうち前記電気ヒータ（５１）の消費電力を超える第３余剰電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴としている。
【００１５】
これにより、機械式ブレーキの使用を最小限に抑えることができ、乗車フィーリングの悪化を極力抑えることができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明のように、冷却水と空調風を熱交換して空調風を加熱する暖房用熱交換器（５６）を備え、前記冷却水循環ポンプは、前記燃料電池（１０）に冷却水を供給する燃料電池用ポンプ（４１）または前記暖房用熱交換器（５６）に冷却水を供給する空調用ポンプ（６６）の少なくとも一方を用いることができる。
【００１７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態の車両空調装置の構成を示す概念図である。
【図３】ヒータコアの斜視図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムでの発電電力の処理を示すフローチャートである。
【図５】図４のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は冷却水必要流量と電気ヒータの消費電力の関係を示す特性図であり、（ｂ）は電気ヒータ消費電力と冷却水循環ポンプ回転数の関係を示す特性図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池冷却処理と車室内暖房処理を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００２０】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や２次電池１３、その他補機１６などの電気負荷に電力を供給するように構成されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００２１】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体の反応： Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。なお、本発明は燃料電池の種類を限定するものではなく、他の種類の燃料電池、例えばリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池にも適用可能である。
【００２２】
燃料電池１０にて発生した直流電力は、インバータ１２で交流電流に変換され走行用モータ１１に供給される。これにより、モータ１１は車輪駆動力を発生させ車両を走行させることができる。また、燃料電池１０が発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して、２次電池１３に蓄えることができる。
【００２３】
インバータ１２は、燃料電池１０や２次電池１３から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ１１に供給して、走行用モータ１１を駆動している。本第１実施形態の電気自動車では、車両減速時や降坂時に走行用モータ１１を発電機として作動させて発電を行うとともにブレーキ力を得る回生制動を行い、回生制動によって発電された回生電力はインバータ１２を介して２次電池１３に充電できるように構成されている。図示を省略しているが、本実施形態の電気自動車は機械式ブレーキを備えており、機械式ブレーキを使用した分だけ回生制動により発生する回生電力が小さくなる。なお、走行用モータ１１およびインバータ１２が本発明の回生電力発生手段に相当している。
【００２４】
また、本第１実施形態の燃料電池システムでは、２次電池１３が燃料電池１０と電気的に並列接続されており、燃料電池１０とともに２次電池１３からもモータ１１に電力を供給可能に構成されている。例えば、車両発進時や加速時などに大きな電力が必要な場合、燃料電池１０からだけでなく２次電池１３からも電力を取り出して走行用モータ１１に供給することで対応することができる。２次電池１３としては、例えば一般的なニッケル水素電池を用いることができる。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、２次電池１３と燃料電池１０とが同じ電圧になるように電圧変換を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、外部からの制御信号によって双方向に電力を伝達することができる。
【００２６】
燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４の間には、ダイオード１５が設けられている。このダイオード１５により、燃料電池１０に２次電池１３からの電流および走行用モータ１１、インバータ１２で回生された電流が流れ込み、燃料電池１０が破壊されるのを防いでいる。
【００２７】
補機１６は、燃料電池１０に空気を供給する空気供給装置３０、冷却水循環ポンプ用モータ４２などであり、インバータ１７を介して２次電池１３と接続されている。なお、本明細書では、走行用モータ１１と補機１６を電気負荷ともいう。
【００２８】
本第１実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の発電電力と走行用モータ１１による回生電力との合計から電気負荷１１、１６による消費電力を引いた差が第１余剰電力となり、第１余剰電力は２次電池１３に充電される。また、この第１余剰電力から２次電池１３の受入可能電力を引いた差が第２余剰電力となる。電気ヒータ５１が燃料電池１０およびインバータ１２と並列に接続されており、電気ヒータ５１に第２余剰電力を供給することができるように構成されている。
【００２９】
燃料電池１０には、水素供給装置２０から水素供給経路２１を介して水素が供給され、空気供給装置３０から空気供給経路３２を介して空気が供給されるように構成されている。
【００３０】
水素供給装置２０としては例えば水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。水素供給経路２１には、シャットバルブ２２および水素レギュレータ２３が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、シャットバルブ２２を開き、水素レギュレータ２３によって所望の圧力にした水素を燃料電池１に供給する。
【００３１】
水素排出経路２４からは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極から固体高分子膜を通過して混入した窒素、酸素などが排出される。水素排出経路２４には、シャットバルブ２５が設けられており、燃料電池１０の運転条件に応じて開閉される。
【００３２】
空気供給装置３０としては、例えばエアコンプレッサを用いることができる。エアコンプレッサ３０は、コンプレッサ用モータ３１にて駆動される。空気供給経路３２には供給空気加湿用の加湿器３３が設けられている。加湿器３３は燃料電池１０から排出される排気空気に含まれる水分を回収し、この水分を用いてエアコンプレッサ３０の吐出後の空気を加湿する装置である。これにより、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１０内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておくことができる。
【００３３】
空気排出経路３４からは、未反応空気、蒸気（あるいは水）および水素極から固体高分子膜を通過して混入した水素などが排出される。レギュレータ３５は、空気排出経路３４に設けられており、燃料電池１０を効率的に運転するために、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整している。
【００３４】
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。
【００３５】
冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路４０、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ４１、冷却水の放熱を行うラジエータ４３等から構成されている。冷却水としては、低温時でも凍結しないようにエチレングリコールと水の混合溶液を用いている。なお、冷却水が本発明の熱媒体に相当し、冷却水経路４０が本発明の熱媒体経路に相当し、ラジエータ４３が本発明の放熱器に相当している。
【００３６】
冷却水循環ポンプ４１はポンプ用モータ４２と機械的に接続されており、ポンプ用モータ４２を回転させることにより冷却水循環ポンプ４１を回転させて燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。冷却水循環ポンプ４１の回転数を調整することで、冷却水経路４０の冷却水流量を調整することができる。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。
【００３７】
冷却ファン４４は冷却ファンモータ４５と機械的に接続されており、冷却ファンモータ４５を回転させることにより冷却ファン４４を回転させてラジエータ４３に送風し、ラジエータ４３より熱を外気に放出させることができる。なお、ラジエータ４３は車両走行時に走行風（ラム圧）を利用できる位置に搭載するのがのぞましい。
【００３８】
サーモスタット４６は、公知の技術であり冷却水温度が所定の値より大きい場合は、ラジエータ４３側に冷却水が流れるようにし、逆に冷却水温度が所定の値より小さい場合はラジエータバイパス経路４７に冷却水が流れるよう制御することで温度制御を行っている。
【００３９】
このような冷却系によって、冷却水循環ポンプ４１による流量制御、冷却ファン４４による風量制御、サーモスタット４６によるバイパス制御で冷却水の温度を調整し、燃料電池１０の温度制御を行うことができる。
【００４０】
また、本第１実施形態の構成では、冷却水が直接燃料電池１０内部と接するため、冷却水の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本第１実施形態では、冷却水経路４０にイオン吸着用経路４８を設け、イオン吸着用経路４８にイオン交換樹脂（イオン吸着手段）４９を配置している。
【００４１】
イオン交換樹脂４９は、各部品より冷却水に溶出したイオンを吸着し、冷却水の導電率上昇を抑えることができる。ちなみにイオン吸着装置４９は、冷却水が流れる位置であれば、どこに設置してもよい。さらに、本第１実施形態では、導電率の小さい冷却水として、エチレングリコールと水の混合物を用いている。
【００４２】
また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口近傍には、冷却水温度を検出する温度センサ５０が設けられている。
【００４３】
冷却水経路４０における燃料電池１０の下流側であってラジエータ４３の上流側には、冷却水を加熱する電気ヒータ５１が設けられている。上述のように電気ヒータ５１には燃料電池システムの余剰電力が供給される。電気ヒータ５１は、供給電力を調整することで出力（加熱温度）を調整できる。また、電気ヒータ５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの電力変換器を介することなくインバータ１２と直接接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して電気的に接続した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が破壊したときに電気ヒータ５１にて電力消費ができなくなり回生制動ができなくなる。このため、これらを電気的に直接接続することで燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００４４】
冷却水として、エチレングリコール水溶液を用いた場合には、酸素存在下で熱分解温度以上になると分解してギ酸などの有機酸を生成する。これらの有機酸は、冷却水中でイオン化し冷却水の導電率を上昇させる。電気ヒータ５１は冷却水と接する表面の温度がもっとも高くなるので、本第１実施形態では電気ヒータ５１の冷却水と接する表面あるいは電気ヒータ５１内部の冷却水と接する表面近傍に温度センサ５２を設けている。
【００４５】
本第１実施形態では、温度センサ５２にて検出した温度に基づいて、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように冷却水の温度制御を行う。この温度制御を開始する温度を、熱分解温度以下の熱分解速度が大きくなる温度に設定してもよい。電気ヒータ５１による加熱温度を低下させるためには、電気ヒータ５１に循環する冷却水流量を増加させるか、あるいは電気ヒータ５１に供給する電力を低下させる。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂４９の寿命を長くすることができる。
【００４６】
冷却水経路４０には、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための電気ヒータバイパス経路５３が設けられている。電気ヒータバイパス経路５３は、電気ヒータ５１の上流側で冷却水経路４０から分岐し、電気ヒータ５１の下流側で冷却水経路４０に合流している。冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３との分岐点には、流量調整弁（電気ヒータバイパス流量調整手段）５４が設けられている。本第１実施形態では、流量調整弁５４としてロータリバルブを用いている。流量調整弁５４により、電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に流れる冷却水の割合をそれぞれ０〜１００％の間で任意に調整することができる。
【００４７】
冷却水経路４０における電気ヒータ５１の下流側であってラジエータ４３の上流側には、室内暖房用ユニット５５が設けられている。室内暖房用ユニット５５は、ヒータコア（暖房用放熱器）５６、室内暖房用ファン５７、ファン用モータ５８、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁（暖房用放熱器バイパス流量調整手段）６０を備えている。
【００４８】
ヒータコア５６は冷却水を熱源として、ヒータコア５６を通過する空気を加熱するものである。室内暖房用ファン５７は室内暖房用ファンモータ５８と機械的に接続されており、室内暖房用ファンモータ５８を回転させることにより室内暖房用ファン５７を回転させてヒータコア５６に送風する。
【００４９】
図２は、車両用空調装置の構成を示す概念図である。図２に示すように、車室内空気あるいは車室外空気を室内暖房用ファン５７によってヒータコア５６に送り、ヒータコア５６を通過後の空気を車室内に送風できるように、ヒータコア５６および室内暖房用ファン５７の周囲にはダクトが設置されている。
【００５０】
図２に示すように、室内暖房用ファン１３は室内空気あるいは室外空気のエバポレータ６２に送られる。エバポレータ６２は、内部で低圧低温の冷媒が蒸発することで空気の冷却を行うものである。ヒータコア５６は、エバポレータ６２の空気流れ下流側に設置されている。ヒータコア５６には、エバポレータ６２通過後の空気をヒータコア５６を通過させるかどうかを制御するエアミックスドア６３が設けられている。
【００５１】
空気温度を低くして冷房したい場合には、エアミックスドア６３を閉じてヒータコア５６に空気が通過しないようにする。逆に空気温度を高くして暖房したい場合には、エアミックスドア６３を開いてヒータコア５６に空気が通過するようにする。除湿を行う場合には、エアミックスドア６３を開いてエバポレータ６２で冷却除湿した空気をヒータコア５６で加熱し、室内に導入する。エアミックスドア６３はオンオフ制御ではなく、必要な空気温度に応じ開度を調節できる。
【００５２】
ここで、常にヒータコア５６に温水が流れる構成とすると、例えば夏場で暖房の必要がないときにも、ヒータコア５６から熱が放出され空調性能に悪影響を与えたり、室内冷房のためのエネルギーが余分に必要になり車両燃費を悪化させることになる。特にエネルギー回生時は、ヒータコア５６の上流にある電気ヒータ５１から大きな熱が冷却水に放出されるので、エアミックスドア６３を閉じただけでは充分でなく、回生電力による熱が車室内に侵入することが考えられる。また、エアミックスドア６３の設置のために大きなスペースを必要とする。そこで本第１実施形態では、オンオフ弁６０およびバイパス経路５９を設置することで上記の問題を回避している。
【００５３】
図１に戻り、暖房用放熱器バイパス経路５９は、ヒータコア５６をバイパスするように冷却水経路４０に設けられており、ヒータコア５６の上流側で冷却水経路４０から分岐し、ヒータコア５６の下流側で冷却水経路４０に合流している。
【００５４】
オンオフ弁６０は、冷却水経路４０における暖房用放熱器バイパス経路５９との分岐点の下流側であってヒータコア５６の上流側に設けられている。オンオフ弁６０は、外部からの制御で冷却水循環流路４０を開閉可能な電気式の開閉弁であり、通常時（非通電時）は閉状態となっている。オンオフ弁６０を開状態にすることで冷却水はヒータコア５６に流れ、オンオフ弁６０を閉状態にすることで冷却水は暖房用放熱器バイパス経路５９に流れる。このような簡易な構成のオンオフ弁６０を用いることで、システムを簡易な構成とすることができ、コスト低減を図ることができる。
【００５５】
図３はヒータコア５６の斜視図である。ヒータコア６０はチューブとフィンで構成される熱交換器であり、チューブ内を冷却水が流れ、外部を空気が流れ熱交換を行うことができる。図３中の矢印は冷却水の流れを示している。また、図３に示すように、ヒータコア５６、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁６０が一体的に構成されている。これらの構成要素５６、５９、６０を一体化することで、車両への搭載性を向上させることができる。なお、これらの構成要素５６、５９、６０のうち任意の２つの組合せを一体化した場合も車両への搭載性を向上させることができる。
【００５６】
図１に戻り、本第１実施形態の燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ６１が設けられている。さらに燃料電池システムには、車両システムおよび各構成機器を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御装置１００は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種制御機器の作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って各種演算等の処理を実行する。本発明の熱媒体温度調整手段は、ＥＣＵ１００により構成される。ＥＣＵ１００は、温度センサ５２、６１の検出温度に基づいて、電気ヒータ５１に対する電力供給量の調整、冷却水流量の調整等を行い、冷却水温度を調整する。また、ＥＣＵ１００は、燃料電池１０の発電電力および走行用モータ１１による回生電力を、電気負荷１１、１６、２次電池１３、電気ヒータ５１に振り分け、余剰電力を消費するように構成されている。
【００５７】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムでの発電電力の処理について図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５８】
まず、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃを算出する（Ｓ１０）。次に、ブレーキ踏力等から車両制動トルク指令値Ｔａを算出し、車両制動トルク指令値Ｔａから回生電力Ｐｂを算出する（Ｓ１１）。次に、電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを算出する（Ｓ１２）。
【００５９】
次に、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃと回生電力Ｐｂとの合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂが電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを上回っているか否か（Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃであるか否か）を判定する（Ｓ１３）。この結果、Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃでないと判定された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂのすべてを電気負荷１１、１６で消費する（Ｓ１４）。
【００６０】
一方、Ｐｆｃ＋Ｐｂ＞Ｐｃであると判定された場合（Ｓ１３：ＮＯ）、すなわち合計発電電力Ｐｆｃ＋Ｐｂが電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを上回る場合には、合計電力Ｐｆｃ＋Ｐｂから電気負荷１１、１６の消費電力Ｐｃを引いた差である第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが発生するので、電力Ｐｃを電気負荷１１、１６で消費させ（Ｓ１５）、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を算出する（Ｓ１６）。２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１は、２次電池１３の種類、２次電池１３の温度、ＳＯＣ（充電量）、ＳＯＣ上限値（充電量の上限値）等に基づいて算出することができる。ＳＯＣは、満充電に対する残存容量（％）で示される。２次電池１３のＳＯＣ上限値は、２次電池１３の性能が低下するＳＯＣ限界値（例えば８０％）より低く設定されており、本実施形態では満充電の７０％（初期値）に設定している。
【００６１】
次に、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１であるか否か）を判定する（Ｓ１７）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１でないと判定された場合には（Ｓ１７：ＮＯ）、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃを２次電池１３に充電する（Ｓ１８）。
【００６２】
一方、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃ＞Ｐｂ１であると判定された場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、すなわち第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃが２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を上回る場合には、第１余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−Ｐｃから２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ１を引いた差である第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が発生するので、電力Ｐｉ１を２次電池１３に充電し（Ｓ１９）、第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費させるための電気ヒータ制御処理を行う（Ｓ２０）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ１８、Ｓ１９の処理が本発明の第１余剰電力処理手段に相当している。
【００６３】
ここで、電気ヒータ制御処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈを算出する（Ｓ２１）。電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈは、冷却水温度、ラジエータ４３の容量、ヒータコア５６の容量等に基づいて算出することができる。
【００６４】
次に、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が、電気ヒータ５１の受入可能電力Ｐｈを上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈであるか否か）判定する（Ｓ２２）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈでないと判定された場合（Ｓ２２：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力を電気ヒータ５１で受入可能である場合には、電気ヒータ５１で受入可能電力Ｐｈを消費する際の冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを算出する（Ｓ２３）。Ｓ２３で算出する冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒは、電気ヒータ５１で第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を消費する際に、冷却水温度が熱分解温度以下を維持するために必要な冷却水流量を確保するのに必要となる冷却水循環ポンプ４１の回転数である。
【００６５】
図６（ａ）は、冷却水必要流量と電気ヒータ５１の消費電力の関係を示している。図６（ａ）に示すように、電気ヒータ５１の消費電力が多くなるほど、電気ヒータ５１の発熱量が大きくなるので、必要冷却水流量が増大する。また、冷却水温度が高いほど、沸騰や過熱しやすいので、電気ヒータ５１の消費電力が同じであっても、冷却水必要流量が多くなる。
【００６６】
次に、図５に戻り、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐを取得する（Ｓ２４）。そして、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを下回っているか否か（Ｒｐ＜Ｒｒであるか否か）を判定する（Ｓ２５）。このＳ２５の処理では、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が充分な量であるか否かが判定される。
【００６７】
この結果、Ｒｐ＜Ｒｒであると判定された場合には（Ｓ２５：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分ではなく、電気ヒータ５１を作動させた場合には、冷却水が沸騰したり過熱したりするおそれがある。このため、電気ヒータ５１を作動させることなく、冷却水循環ポンプ４１の回転数を上昇させる（Ｓ２６）。これにより、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を増大させることができる。
【００６８】
図６（ｂ）は、電気ヒータ５１の消費電力と冷却水循環ポンプ４１の回転数の関係を示している。図６（ｂ）に示すように、ｔ１の時点で電気ヒータ５１の消費電力を増大させ、冷却水循環ポンプ４１の回転数を増大させた場合には、電気ヒータ５１の消費電力の変化に対して、冷却水循環ポンプ４１の回転数の変化が遅れ、ｔ２の時点で増大後の電気ヒータ５１の消費電力に対応する回転数に到達する。そこで、本実施形態では、ｔ１からｔ２に至るまでの間、電気ヒータ５１で消費する電力（図６（ｂ）の斜線で示す部分）を一時的に２次電池１３に充電している。
【００６９】
次に、図５に戻り、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値（７０％）から所定値に増大させ、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ２を算出する（Ｓ２７）。ここで、増大後のＳＯＣ上限値である「所定値」は、初期値（７０％）より大きく、かつ、上述のＳＯＣ限界値（８０％）より小さい値として設定され、本実施形態では７３％に設定している。ＳＯＣ上限値増大は、冷却水循環ポンプ４１の回転数の応答遅れ分の電力を吸収できればよく、ＳＯＣ上限値を大幅に引き上げる必要はない。このため、ＳＯＣ上限値増大による２次電池１３の劣化に対する影響を小さくできる。
【００７０】
次に、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が、２次電池１３の受入可能電力Ｐｂ２を上回るか否か（（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２であるか否か）判定する（Ｓ２８）。この結果、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２でないと判定された場合（Ｓ２８：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力をＳＯＣ上限値変更後の２次電池１３で受入可能である場合には、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を２次電池１３に充電し（Ｓ２９）、Ｓ２４の処理に戻る。その後、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒ以上となるまで（Ｒｐ≧Ｒｒとなるまで）、すなわち、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分な流量となるまで、Ｓ２６〜Ｓ２９の処理を繰り返し行う。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ２７、Ｓ２９の処理が本発明の暫定余剰電力処理手段に相当している。
【００７１】
Ｓ２８の判定処理で、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｉ２であると判定された場合（Ｓ２８：ＮＯ）、すなわち第２余剰電力をＳＯＣ上限値変更後の２次電池１３で受入できない場合には、この第２余剰電力分は回生電力Ｐｂを低く抑える必要があり、この第２余剰電力分だけ回生制動が効かなくなるので、第２余剰電力に相当するエネルギを機械式ブレーキで消費する（Ｓ３０）。これにより、第２余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。その後、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値（７０％）に設定する（Ｓ３１）。
【００７２】
次に、Ｓ２５の判定処理で、Ｒｐ＜Ｒｒでないと判定された場合には（Ｓ２５：ＮＯ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分な流量であると判断できる。このため、２次電池１３のＳＯＣ上限値が初期値（７０％）であるか否かを判定する（Ｓ３２）。この結果、ＳＯＣ上限値が初期値（７０％）である場合には（Ｓ３２：ＹＥＳ）、Ｓ３５の処理に移行し、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）で電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３５）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ３５の処理が本発明の第２余剰電力処理手段に相当している。
【００７３】
一方、ＳＯＣ上限値が初期値（７０％）でない場合には（Ｓ３２：ＮＯ）、Ｓ２７の処理でＳＯＣ上限値が増大され、Ｓ２９の処理で第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）が２次電池１３に充電されていると考えられる。このため、ＳＯＣ上限値を初期値（７０％）に設定し（Ｓ３３）、２次電池１３から第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）を放電する（Ｓ３４）。そして、第２余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）で電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３５）。なお、ＥＣＵ１００が実行するＳ３３の処理が本発明の受入可能電力復帰手段に相当している。
【００７４】
次に、Ｓ２３の判定処理で、（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ１）＞Ｐｈであると判定された場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、すなわち第２余剰電力を電気ヒータ５１で受入できない場合には、冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを算出する（Ｓ３６）。Ｓ３６で算出する冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒは、電気ヒータ５１で受入可能電力Ｐｈを消費する際に、冷却水温度が熱分解温度以下を維持するために必要な冷却水流量を確保するのに必要となる冷却水循環ポンプ４１の回転数である。
【００７５】
次に、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐを取得する（Ｓ３７）。そして、冷却水循環ポンプ４１の現在回転数Ｒｐが冷却水循環ポンプ４１の必要回転数Ｒｒを下回っているか否か（Ｒｐ＜Ｒｒであるか否か）を判定する（Ｓ３８）。
【００７６】
この結果、Ｒｐ＜Ｒｒでないと判定された場合には（Ｓ３８：ＮＯ）、電気ヒータ４１を電力Ｐｈを消費する際の発熱に対して冷却水流量が充分であると判断できる。このため、Ｐｈで電気ヒータ５１を作動させる（Ｓ３９）。このとき、電気ヒータ５１で吸収しきれなかった第３余剰電力（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ＋Ｐｈ）が発生する。この第３余剰電力分は回生電力Ｐｂを低く抑える必要があり、この第３余剰電力分だけ回生制動が効かなくなるので、機械式ブレーキで消費する（Ｓ４０）。これにより、第３余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。
【００７７】
一方、Ｒｐ＜Ｒｒであると判定された場合には（Ｓ３８：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１で第２余剰電力を消費した際の発熱に対して冷却水流量が充分ではなく、電気ヒータ５１を作動させた場合には、冷却水が沸騰したり過熱したりするおそれがある。このため、電気ヒータ５１を作動させることなく、第２余剰電力分（Ｐｆｃ＋Ｐｂ）−（Ｐｃ＋Ｐｉ）を機械式ブレーキで消費する（Ｓ４１）。これにより、第２余剰電力に相当する回生電力の発生が押さえられる。
【００７８】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池冷却と車室内暖房について図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００７９】
まず、燃料電池１０の発電電力Ｐｆｃと燃料電池１０出口における冷却水温度Ｔｏｕｔを検出する（Ｓ１００）。次に、燃料電池１０の冷却に必要とする冷却水流量Ｖｆｃを算出する（Ｓ１０１）。
【００８０】
次に、余剰電力（上述した第２余剰電力）を電気ヒータ５１で処理するか否かを判定する（Ｓ１０２）。この結果、余剰電力を電気ヒータ５１で処理しないと判定された場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっているか否かを判定する（Ｓ１０３）。この結果、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていないと判定された場合には（Ｓ１０３：ＮＯ）、流量調整弁５４を電気ヒータバイパス経路５３側に切り替え、すべての冷却水が電気ヒータバイパス経路５３側に流れるようにし（Ｓ１０３）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の処理では、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとしている。燃料電池１０を通過後の冷却水は、ラジエータ４３あるいはラジエータバイパス経路４７に流れることで温度が調整される。
【００８１】
一方、Ｓ１０３の判定処理で、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていると判定された場合には（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、オンオフ弁６０を開状態とし（Ｓ１０６）、ヒータコア５６での必要暖房能力から電気ヒータ５１の要求電力Ｐｈ２を求め、要求ヒータ電力Ｐｈ２から電気ヒータ５１の必要冷却水流量Ｖｈ２を算出する（Ｓ１０７）。
【００８２】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ２が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１０８）。この結果、Ｖｈ２＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１０８：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１０９）、Ｓ１１１の処理に移行する。
【００８３】
一方、Ｖｈ２＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ２、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ２）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１０）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１１１）。Ｓ１１０に続いてＳ１１１の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１０９に続いてＳ１１１の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ２となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。そして、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ２で作動させる（Ｓ１１２）。所望の暖房性能が得られるように室内暖房用ファンモータ５８の回転数を制御する。
【００８４】
車両走行開始時には冷却水温度が低いので、このように電気ヒータ５１にて補助的に冷却水を加熱することで暖房能力を向上させることができる。この場合、電気ヒータ５１は燃料電池１０あるいは２次電池１３からの電力を用いて発電させる。
【００８５】
上記Ｓ１０２において余剰電力を電気ヒータ５１で処理すると判定された場合には、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっているか否かを判定する（Ｓ１１３）。この結果、車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていないと判定された場合には（Ｓ１１３：ＮＯ）、余剰電力を電気ヒータ５１にて処理するヒータ処理電力Ｐｈ１から電気ヒータ５１の必要冷却水流量Ｖｈ１を算出する（Ｓ１１４）。
【００８６】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ１が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１１５）。この結果、Ｖｈ１＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１１５：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１６）、Ｓ１１８の処理に移行する。
【００８７】
一方、Ｖｈ１＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１１５：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ１、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ１）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１１７）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１１８）。Ｓ１１７に続いてＳ１１８の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１１６に続いてＳ１１８の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ１となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。
【００８８】
次に、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さいか否かを判定する（Ｓ１１９）。この結果、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さい場合には（Ｓ１１９：ＹＥＳ）、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となるまで待機する。そして、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となった場合には（Ｓ１１９：ＮＯ）、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ１で作動させる（Ｓ１２０）。余剰電力は電気ヒータ５１にて熱に変換され、冷却水を介してラジエータ４３で外気に排出される。
【００８９】
上記Ｓ１１３で車室内の暖房あるいは除湿がオンになっていると判定された場合には、オンオフ弁６０を開状態とし（Ｓ１２１）、ヒータ処理電力Ｐｈ１と要求ヒータ電力Ｐｈ２のうち大きい方の電力Ｐｈ３を用い、電気ヒータ５１に流す冷却水流量Ｖｈ１を算出する（Ｓ１２２）。
【００９０】
次に、ヒータ必要冷却水流量Ｖｈ１が燃料電池必要冷却水流量Ｖｆｃを下回っているか否かを判定する（Ｓ１２３）。この結果、Ｖｈ１＜Ｖｆｃでないと判定された場合には（Ｓ１２３：ＮＯ）、冷却水のすべてが電気ヒータ５１側に流れるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１２４）、Ｓ１２６の処理に移行する。
【００９１】
一方、Ｖｈ１＜Ｖｆｃであると判定された場合には（Ｓ１２３：ＹＥＳ）、電気ヒータ５１側の冷却水流量がＶｈ１、電気ヒータバイパス通路５３側の冷却水流量が（Ｖｆｃ−Ｖｈ１）となるように流量調整弁５４を切り替え（Ｓ１２５）、必要回転数Ｒｒで冷却水循環ポンプ４１を作動させる（Ｓ１２６）。Ｓ１２５に続いてＳ１２６の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｆｃとなる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとし、上述のＳ１２４に続いてＳ１２６の処理を行う場合には、冷却水流量がＶｈ１となる冷却水循環ポンプ４１の回転数を必要回転数Ｒｒとする。
【００９２】
次に、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さいか否かを判定する（Ｓ１２７）。この結果、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒより小さい場合には（Ｓ１２７：ＹＥＳ）、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となるまで待機する。そして、冷却水循環ポンプ４１の回転数が必要回転数Ｒｒ以上となった場合には（Ｓ１２７：ＮＯ）、電気ヒータ５１を電力Ｐｈ３で作動させる（Ｓ１２８）。余剰電力は電気ヒータ５１にて熱に変換され、冷却水を介してラジエータ４３で外気に排出される。
【００９３】
以上説明した本実施形態の構成によれば、回生電力にて発生する余剰電力は優先的に２次電池１３に蓄えられ、余剰電力が２次電池１３に受け入れ可能な電力以上の場合は、電気ヒータ５１で消費される。そして、電気ヒータ５１で消費できない余剰電力分を機械式ブレーキで対応している。この結果、機械式ブレーキの使用頻度を低減でき、乗車フィーリングの悪化を防ぐことができる。
【００９４】
また、余剰電力を消費する際の電気ヒータ５１での発熱に対して冷却水流量が充分でない場合（冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分上昇していない場合）には、２次電池１３のＳＯＣ上限値を増加させ、電気ヒータ５１で消費する余剰電力を一時的に２次電池１３に充電することで、冷却水流量が充分でない状態で電気ヒータ５１で余剰電力を消費して冷却水が沸騰したり過熱されたりすることを防止できる。その後、余剰電力を消費する際の電気ヒータ５１での発熱に対して冷却水流量が充分に増加したとき（冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分上昇したとき）に、電気ヒータ５１を作動開始することで、電気ヒータ５１で余剰電力を消費しても、冷却水が沸騰したり過熱されたりすることがない。
【００９５】
また、本実施形態では、２次電池１３のＳＯＣ上限値を増大させ、第２余剰電力を２次電池１３に充電した後、冷却水循環ポンプ４１の回転数が充分に上昇した（電気ヒータ５１に供給される冷却水流量が充分な流量となった）ときに、２次電池１３のＳＯＣ上限値を初期値に戻している。これにより、２次電池１３のＳＯＣ上限値の増大（２次電池受入可能電力の増大）は一時的なものとなり、２次電池１３の性能に与える影響を最小限に抑えることができる。
【００９６】
なお、回生電力が発生するのは主に減速時や降坂時であり、この場合には燃料電池１０は発電停止あるいは発電電力が小さくなっているため、燃料電池１０の必要冷却能力も小さくなる。ラジエータ４３は燃料電池１０が最大出力時に充分に冷却が行えるように設計されるので、燃料電池１０の発電量が小さい場合にはラジエータ４３の能力が余っていることになり、そのときに電気ヒータ５１で熱を発生させその熱をラジエータ４３にて外気に放出すれば、ラジエータ４３の体格を大きくする必要はなく、新たな放熱器を搭載する必要もない。
【００９７】
また、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせることができる電気ヒータバイパス経路５３を設け、電気ヒータ５１に冷却水を流す必要がない場合には、冷却水が電気ヒータ５１をバイパスできるように構成することで、冷却回路の圧力損失増加を抑制でき、冷却水循環ポンプ４１の消費電力増加を回避できる。
【００９８】
さらに、電気ヒータ５１で発生した熱をヒータコア５６を介して室内暖房に用いることで、回生制動で発生する余剰電力を有効に再利用することが可能となる。また、回生電力量は車重や減速度にもよるが、通常車室内の暖房必要能力よりも大きい。このため、電気ヒータ５１の発熱時で室内暖房が必要ないときにヒータコア５６に冷却水が流れると、室内暖房用ファン５７は停止していてもヒータコア５６表面から放熱し、車室内に影響を与える可能性がある。そこで、本第１実施形態では、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁６０を設けることでそのような悪影響を回避している。
【００９９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、主に冷却水を燃料電池１０には循環させないで、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環させることが可能な冷却水閉ループを形成した点が異なる。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１００】
図８は、本第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図８では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。
【０１０１】
図８に示すように、上記第１実施形態のサーモスタット４６の代わりに、本第２実施形態では冷却水経路４０とラジエータバイパス経路４７との合流点に流量調整弁６４を設けている。本実施形態では、この流量調整弁６４を第２流量調整弁６４とし、上述の流量調整弁５４を第１流量調整弁５４とする。また、冷却水経路４０におけるラジエータ４３の下流側に温度センサ６５を設けている。
【０１０２】
第２流量調整弁６４と温度センサ６５の基本的な機能は、上記第１実施形態のサーモスタット４６と同様である。すなわち、ラジエータ４３通過後の冷却水温度を温度センサ６５にて検出し、その温度検出値に基づいて所望の冷却水温度になるように、第２流量調整弁６４を操作し、ラジエータ４３あるいはバイパス経路４７に流れる冷却水流量比を制御することができる。さらに本第２実施形態の第２流量調整弁６４は上記機能に加え、冷却水経路４０の上流側と下流側、バイパス経路４７の全方向にシャットできるように構成されている。
【０１０３】
冷却水経路４０における第１流量調整弁５４の下流側であって電気ヒータ５１の上流側に第２の冷却水循環ポンプ６６が設けられている。この冷却水循環ポンプ６６は、冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡのいずれの箇所に設けてもよい。本実施形態では、閉ループＡに設けられる冷却水循環ポンプ６６を第２冷却水循環ポンプ６６とし、第１実施形態で説明した冷却水循環ポンプ４１を第１冷却水循環ポンプ４１とする。第２冷却水循環ポンプ６６は、第１冷却水循環ポンプ４１に比較して循環させる冷却水が少ないので、第１冷却水循環ポンプ４１より小型のものを用いることができる。
【０１０４】
第１冷却水循環ポンプ４１は、主に燃料電池１０に冷却水を供給する燃料電池冷却用ポンプとして構成され、第２冷却水循環ポンプ６６は、主にヒータコア５６に冷却水を供給する空調用ポンプとして構成される。なお、上記第１実施形態で説明したＳ２６の処理（図５参照）では、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を増大させればよく、第１冷却水循環ポンプ４１または第２冷却水循環ポンプ６６の少なくとも一方を作動させることで行うことができる。
【０１０５】
本第２実施形態の第１流量調整弁５４は、燃料電池１０から流れてきた冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に０〜１００％の範囲で分配する機能に加え、電気ヒータバイパス経路５３から流れてくる冷却水を電気ヒータ５１側に流す機能を有している。
【０１０６】
第２流量調整弁６４を全方向に閉じ、第２冷却水循環ポンプ６６を作動させることで、冷却水は冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡを循環する。この場合には、冷却水は燃料電池１０には循環せず、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環することとなる。
【０１０７】
このように、閉ループＡは熱容量の大きい燃料電池１０とは独立した暖房回路となるので、熱容量を小さくでき暖房の立ち上がり性能を向上できる。さらに燃料電池１０や配管などからの放熱を減少できるので、熱損失を低減でき立ち上がり性能を向上できる。また、圧力損失の大きな燃料電池１０を通過しない回路を形成できるので、燃料電池１０が発電していないときに暖房のみを使用したいときは第２冷却水循環ポンプ６６で冷却水を循環させることで、第１冷却水循環ポンプ６６の消費動力を低減できる。
【０１０８】
本第２実施形態では、冷却水経路４０における電気ヒータ５１の直下に水素を燃料とする触媒燃焼式ヒータ６７を設けている。例えば氷点下においては、燃料電池１０が発電起動できなかったり、さらには２次電池１３も電解液が凍結して電力が得られない場合がある。このため、本第２実施形態では、水素触媒ヒータ６７を補助用ヒータとして電気ヒータ５１と併設し、電気ヒータ５１の電力が得られない場合の熱源として用いている。水素触媒ヒータ６７を熱源として、室内暖房を行ったり、燃料電池１０を暖機することができる。
【０１０９】
また、水素触媒ヒータ６７の冷却水と接する表面あるいは水素触媒ヒータ６７内部の冷却水と接する表面近傍に、電気ヒータ５１と同様に温度センサ６８を設けている。発熱するヒータ６７表面において、冷却水の温度が高くなるので、ヒータ６７表面近傍の温度を検出することで、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように制御する。この制御は熱媒体温度調整手段としてのＥＣＵ１００により行われる。
【０１１０】
水素触媒ヒータ６７の温度を低下させるためには、冷却水の流量を増加させるか、あるいは水素触媒ヒータ６７に供給する水素量を減少させるか、あるいは供給空気量を増加させればよい。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂の寿命を増加させることができる。
【０１１１】
また、補助用ヒータとして水素触媒ヒータ６７を用いる理由は、燃料電池１０の燃料である水素を用いることができ、かつ燃焼式ヒータに比べて作動温度が低い（６００℃以下）からである。
【０１１２】
また、低温環境下では触媒の活性が低く、燃焼起動できなかったり、未燃水素が多く発生する。このため、水素触媒ヒータ６７を電気ヒータ５１の直下に設けることで、低温時に電気ヒータ５１を作動させ冷却水を加熱し、触媒を活性温度以上に昇温させることができる。このとき、回生電力により余剰電力が発生していれば、余剰電力により電気ヒータ５１を介して触媒を加熱することができることになる。
【０１１３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータバイパス経路５３が設けられていない点が異なるものである。以下、上記第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１４】
図９は、本第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図９では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。
【０１１５】
図９に示すように、本第３実施形態では、電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７をバイパスさせる電気ヒータバイパス経路５３が存在しない。このため、冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に分配する第１流量調整弁５４を設ける必要がなく、冷却水経路４０の構成を簡素にできる。
【０１１６】
本第３実施形態では、車室内の暖房が必要なときは、オンオフ弁６０を開状態とし、必要に応じて電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７を駆動し冷却水を加熱する。また、本第３実施形態でも、上記第１実施形態、第２実施形態と同様に回生電力を熱としてラジエータ４３あるいはヒータコア５６で消費することができる。
【０１１７】
さらに、本第３実施形態のシステム構成をさらに簡略化するためには、オンオフ弁６０と暖房用放熱器バイパス経路５９を廃止する構成としてもよい。
【０１１８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータ５１を含む閉ループの構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１９】
図１０に示すように、本第４実施形態では、冷却水経路４０に、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための第２の電気ヒータバイパス経路６９が設けられている。本実施形態では、この電気ヒータバイパス経路６９を第２電気ヒータバイパス経路６９とし、上述の電気ヒータバイパス経路５３を第１電気ヒータバイパス経路５３としている。
【０１２０】
第２電気ヒータバイパス経路６９は、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との分岐点より下流側で分岐し、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との合流点より上流側で合流する。また、本実施形態の流量調整弁５４は、冷却水経路４０と第２の電気ヒータバイパス経路６９の分岐点に設けられている。
【０１２１】
このような構成によって、冷却水は冷却水経路４０と第２電気ヒータバイパス経路６９からなる第２の閉ループＢを循環することができる。また、冷却水経路４０と第１電気ヒータバイパス経路５３によって、閉ループＢとは独立して燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。
【０１２２】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。
【０１２３】
例えば、図１で示した例では１個のＥＣＵ１００を用いて各種制御を行っているが、機器毎にＥＣＵを設け、それぞれのＥＣＵ同士で通信を行うように構成してもよい。
【０１２４】
また、図１に示したＳ２５の判定処理では、冷却水循環ポンプ４１の回転数から間接的に推定した電気ヒータ５１の冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応しているか否かを判定したが、これに限らず、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を直接測定し、測定した冷却水流量が第２余剰電力を電気ヒータ５１で消費する際の発熱に対応しているか否かを判定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１０ 燃料電池
１１ 走行用モータ（回生電力発生手段、電気負荷）
１２ インバータ（回生電力発生手段）
１３ ２次電池
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ 補機（電気負荷）
４０ 冷却水経路（熱媒体経路）
４１ 冷却水循環ポンプ
４３ ラジエータ（放熱器）
５１ 電気ヒータ
５３ 電気ヒータバイパス経路
５４ 流量制御弁
５６ ヒータコア（暖房用放熱器）
５９ 暖房用放熱器バイパス経路
６０ オンオフ弁
６６ 冷却水循環ポンプ
６７ 水素触媒ヒータ
１００ 電子制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に供給される冷却水が循環する冷却水経路（４０）と、
前記冷却水経路（４０）に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ（４１、６６）と、
前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記冷却水の熱を大気に放出する放熱器（４３）と、
前記冷却水経路（４０）において、前記燃料電池（１０）の下流側かつ前記放熱器（４３）の上流側に設けられ、前記冷却水を加熱する電気ヒータ（５１）と、
前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、
前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、
前記燃料電池（１０）、前記回生電力発生手段（１１、１２）あるいは前記２次電池（１３）の少なくとも１つからの電力を消費可能な電気負荷（１１、１６）と、
前記燃料電池（１０）の発電電力と回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力との合計電力のうち前記負荷手段（１１、１６）の消費電力を超える第１余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する第１余剰電力処理手段（１００、Ｓ１８、Ｓ１９）と、
前記第１余剰電力のうち前記２次電池（１３）の受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する際に発生する熱に対応する所定流量以上の場合に、前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する第２余剰電力処理手段（１００、Ｓ３５）と、
前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量未満の場合に、前記冷却水循環ポンプ（４１、６６）による冷却水流量を増大させるとともに、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する暫定余剰電力処理手段（１００、Ｓ２７、Ｓ２９）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大前の値に戻す受入可能電力復帰手段（１００、Ｓ３３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記電気ヒータ（５３）の作動を開始させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、
前記第２余剰電力のうち前記電気ヒータ（５１）の消費電力を超える第３余剰電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
冷却水と空調風を熱交換して空調風を加熱する暖房用熱交換器（５６）を備え、
前記冷却水循環ポンプは、前記燃料電池（１０）に冷却水を供給する燃料電池用ポンプ（４１）または前記暖房用熱交換器（５６）に冷却水を供給する空調用ポンプ（６６）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）に供給される冷却水が循環する冷却水経路（４０）と、
前記冷却水経路（４０）に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ（４１、６６）と、
前記冷却水経路（４０）に設けられ、前記冷却水の熱を大気に放出する放熱器（４３）と、
前記冷却水経路（４０）において、前記燃料電池（１０）の下流側かつ前記放熱器（４３）の上流側に設けられ、前記冷却水を加熱する電気ヒータ（５１）と、
前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、
前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、
前記燃料電池（１０）、前記回生電力発生手段（１１、１２）あるいは前記２次電池（１３）の少なくとも１つからの電力を消費可能な電気負荷（１１、１６）と、
前記燃料電池（１０）の発電電力と回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力との合計電力のうち前記負荷手段（１１、１６）の消費電力を超える第１余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する第１余剰電力処理手段（１００、Ｓ１８、Ｓ１９）と、
前記第１余剰電力のうち前記２次電池（１３）の受入可能電力を越える電力を第２余剰電力とし、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する際に発生する熱に対応する所定流量以上の場合に、前記第２余剰電力を前記電気ヒータ（５１）で消費する第２余剰電力処理手段（１００、Ｓ３５）と、
前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量未満の場合に、前記冷却水循環ポンプ（４１、６６）による冷却水流量を増大させるとともに、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電する暫定余剰電力処理手段（１００、Ｓ２７、Ｓ２９）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大前の値に戻す受入可能電力復帰手段（１００、Ｓ３３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記暫定余剰電力処理手段により前記２次電池（１３）の受入可能電力を増大させて前記第２余剰電力を前記２次電池（１３）に充電した後、前記電気ヒータ（５１）に供給される冷却水流量が前記所定流量以上となった場合に、前記電気ヒータ（５３）の作動を開始させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、
前記第２余剰電力のうち前記電気ヒータ（５１）の消費電力を超える第３余剰電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
冷却水と空調風を熱交換して空調風を加熱する暖房用熱交換器（５６）を備え、
前記冷却水循環ポンプは、前記燃料電池（１０）に冷却水を供給する燃料電池用ポンプ（４１）または前記暖房用熱交換器（５６）に冷却水を供給する空調用ポンプ（６６）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９５２６３（Ｐ２０１２−１９５２６３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０３６０（Ｐ２０１１−６０３６０）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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