(57)【要約】【課題】燃料電池とコンバータの温度制御をシステム全体として最適化する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池（２）と、燃料電池（２）に温度調整した冷媒を供給する第１の冷媒流路（４０）と、燃料電池（２）の出力電圧を変圧するコンバータ（３２）と、前記温度調整した冷媒及びコンバータ（３２）それぞれと熱接触し、外部から仕事を受けて該熱接触する一方から吸熱し、他方に放熱する熱交換装置（５２）と、を備えた燃料電池システム（１Ａ）。【選択図】図１
2010272462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に温度調整した冷媒を供給する第１の冷媒流路と、
前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータと、
前記温度調整した冷媒及び前記コンバータそれぞれと熱接触し、外部から仕事を受けて該熱接触する一方から吸熱し、他方に放熱する熱交換装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換装置は、膨張弁にて膨張させた冷媒を前記コンバータに熱接触させ、該コンバータを通った冷媒を圧縮機で圧縮させて前記第１の冷媒流路を流れる冷媒に熱接触させる第２の冷媒流路を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換装置は、圧縮機で圧縮させた冷媒を前記コンバータに熱接触させ、該コンバータを通った冷媒を膨張弁にて膨張させて前記第１の冷媒流路を流れる冷媒に熱接触させる第３の冷媒流路を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱交換装置は、一方の面で前記第１の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触し、他方の面で前記コンバータと熱接触するペルチェ素子を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱交換装置は、前記コンバータに冷媒を循環供給する第４の冷媒流路と、
一方の面で前記第１の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触し、他方の面で前記第４の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触するペルチェ素子とを備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムおいては、燃料電池の出力電圧を所望の電圧に変圧するためにコンバータが用いられている。
【０００３】
ここで、燃料電池やコンバータは、稼動により発熱を伴うので冷却が必要になる。このとき、燃料電池とコンバータとでは稼動温度が異なることから、燃料電池用の冷却水路とコンバータ用の冷却水路とを別々に設け、それぞれ独立して冷却を行うことが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の冷却構造では、燃料電池の温度とコンバータの温度を個別に制御できるものの、燃料電池用の冷却系及びコンバータ用の冷却系それぞれが独立しているため、システム全体としてみた場合の温度制御の最適化が図られていなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池とコンバータの温度制御をシステム全体として最適化する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池に温度調整した冷媒を供給する第１の冷媒流路と、前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータと、前記温度調整した冷媒及び前記コンバータそれぞれと熱接触し、外部から仕事を受けて該熱接触する一方から吸熱し、他方に放熱する熱交換装置と、を備えた燃料電池システムを構成する。
【０００８】
上記構成によれば、第１の冷媒流路から供給される冷媒（より詳細には温度調整をされた上でさらに熱交換装置による吸熱または放熱を受けた冷媒）によって燃料電池の温度を制御し、また、熱交換装置による放熱または吸熱によってコンバータの温度を制御することができる。ここで、熱交換装置による放熱または吸熱は外部から受けた仕事に応じて発生する。したがって、第１の冷媒流路における冷媒の温度と外部から入力する仕事を調整することにより、燃料電池及びコンバータそれぞれの温度を制御することができるようになる。また、外部から入力する仕事に応じて、燃料電池及びコンバータの一方は熱交換装置による放熱を受け他方は熱交換装置による吸熱を受ける。すなわち、外部から入力する仕事を調整することで、燃料電池とコンバータとの間の温度調整が可能になる。これにより、システム全体としてみた場合に、温度制御を最適化することができるようになる。
【０００９】
尚、本発明において「熱接触」とは、物体が他の物体に、直接的または熱伝導率の高い伝達媒体を介して間接的に接触することを示す。また、「仕事」とは、熱交換装置の態様によって異なるが、例えば、熱交換装置がヒートポンプであれば、圧縮機による冷媒の圧縮、また例えば熱交換装置がペルチェ素子であれば、ペルチェ素子に通電される電流等を示す。
【００１０】
また、上記構成において、前記熱交換装置は、膨張弁にて膨張させた冷媒を前記コンバータに熱接触させ、該コンバータを通った冷媒を圧縮機で圧縮させて前記第１の冷媒流路を流れる冷媒に熱接触させる第２の冷媒流路を備えるようにしてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、熱交換装置は、ヒートポンプを構成する。膨張弁にて膨張された冷媒は温度が低下し、圧縮機で圧縮された冷媒は温度が上昇するから、第２の冷媒流路によりコンバータを冷却し第１の冷媒流路を通る冷媒を加熱することができる。これにより、例えばシステム始動時等、燃料電池については早急な温度上昇が必要な場合に、熱交換装置による放熱を利用して燃料電池を迅速に加熱するといったことが可能になる。
【００１２】
また、上記構成において、前記熱交換装置は、圧縮機で圧縮させた冷媒を前記コンバータに熱接触させ、該コンバータを通った冷媒を膨張弁にて膨張させて前記第１の冷媒流路を流れる冷媒に熱接触させる第３の冷媒流路を備えるようにしてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、熱交換装置は、ヒートポンプを構成する。圧縮機で圧縮された冷媒は温度が上昇し、膨張弁にて膨張された冷媒は温度が低下するから、第３の冷媒流路によりコンバータを加熱し第１の冷媒流路を通る冷媒を冷却することができる。これにより、例えば、高負荷により燃料電池が高温になり、燃料電池について迅速な冷却が必要な場合に、熱交換装置による吸熱を利用して燃料電池を急速に冷却する等といったことが可能になる。
【００１４】
また、上記構成において、前記熱交換装置は、一方の面で前記第１の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触し、他方の面で前記コンバータと熱接触するペルチェ素子を備えるようにしてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、ペルチェ素子は電流の方向を変えることで吸熱面と発熱面とを変化させることができるので、ペルチェ素子により、燃料電池に供給される冷媒とコンバータとの一方を、選択的に加熱または冷却することができる。また、ペルチェ素子がコンバータの冷媒系として機能するので、コンバータのために冷媒流路を設ける場合に比べて燃料電池システムを小型化することができる。
【００１６】
また、上記構成において、前記熱交換装置は、前記コンバータに冷媒を循環供給する第４の冷媒流路と、一方の面で前記第１の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触し、他方の面で前記第４の冷媒流路を流れる冷媒と熱接触するペルチェ素子とを備えるようにしてもよい。
【００１７】
上記構成によれば、ペルチェ素子は電流の方向を変えることで放熱面と発熱面とを変化させることができるので、ペルチェ素子により、燃料電池に供給される冷媒と、コンバータに供給される冷媒との一方を、選択的に加熱または冷却することができる。また、第４の冷媒流路により、第１の冷媒流路からコンバータを物理的に離間させることができる。これは、例えば、第１の冷媒流路内の冷媒が電気を帯びているような場合においては、第４の冷媒流路が絶縁物として機能するため有用である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池とコンバータの温度制御をシステム全体として最適化する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図２】同燃料電池システムのＣＮＶ冷媒系の制御方法を示すフローチャート。
【図３】同燃料電池システムのＦＣ冷媒系の制御方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図５】同燃料電池システムのペルチェ素子近傍を説明するための模式図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１Ａの構造を示す模式図である。図１に示した燃料電池システム１Ａは、燃料電池２と、燃料電池２の出力電圧を変圧するコンバータ３２等を含む電力系３と、燃料電池２に冷媒を供給するＦＣ冷媒系４と、コンバータ３２に冷媒を供給するＣＮＶ冷媒系５と、燃料電池２及びコンバータ３２とを収容するスタックケース６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００２１】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を有している。各単セルは、膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう）およびＭＥＡを両側から挟みこむように配置された一対のセパレータを有している。各ＭＥＡは、詳細には、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を両面から挟みこむように配置された一対の触媒層とで構成される。一対の触媒層は、アノード及びカソードとして機能し、触媒層と電解質膜との界面において電極反応が行われる。
【００２２】
燃料電池２には、各単セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、各単セルのカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系とが設けられており（いずれも図示略）、制御部７からの制御信号に応じて、燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池の各単セルに供給されるようになっている。ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスを意味する。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、詳細は後述するように、ＦＣ冷媒系４から供給される冷媒により最適な稼動温度となるように温度制御される。固体高分子電解質型の燃料電池２の最適な稼動域は、例えば、４０℃〜９０℃であり、運転条件等に基づいてこれら稼動域の範囲内で具体的な稼動温度が決定される。
【００２３】
電力系３は、コンバータ３２、インバータ３４及びトランクションモータ３６を備えている。コンバータ３２は、直流のＤＣ−ＤＣコンバータであり、一次側（燃料電池２側）に入力された電圧Ｖinを一次側とは異なる電圧値Ｖoutに変換（昇圧または降圧）して二次側（インバータ３４側）に出力する。本実施形態においては、コンバータ３２は、昇圧コンバータとして機能し、制御部７からの制御信号に応じて、燃料電池２の出力電圧Ｖin（例えば、１８０Ｖ）を目標出力（例えば、６５０Ｖ）まで昇圧する。コンバータ３２は、スイッチング素子等の半導体素子が稼動により発熱を伴うため、詳細は後述するように、ＣＮＶ冷媒系５から供給される冷媒により最適な稼動温度となるように温度制御される。コンバータ３２の冷媒の温度域は、コンバータ３２内部の素子温度の保証値の範囲内であり、例えば、−４０℃〜７５℃である。すなわち、燃料電池２の稼動温度の最大値（９０℃）よりも低い温度域で作動する。また、燃料電池２は、稼動温度域（４０℃〜９０℃）内で厳密に温度制御する必要があるのに対して、コンバータ３２は、稼動温度域（０℃〜６５℃）内であれば、燃料電池２ほどの厳密な温度制御は必要とされない。このように、燃料電池２とコンバータ３２の温度制御の要求内容（要求温度、要求精度）はそれぞれ異なっており、詳細は後述するＦＣ冷媒系４とＣＮＶ冷媒系５とによりそれぞれ個別に制御される。
【００２４】
インバータ３４は、直流電流を三相交流電流に変換しトランクションモータ３６に供給する。トランクションモータ３６は、例えば三相交流モータである。トランクションモータ３６は、燃料電池システム１Ａが搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ、１０１Ｒに連結されている。
【００２５】
ＦＣ冷媒系４は、ＣＮＶ冷媒系５と熱交換しつつ、燃料電池２に温度調整された冷媒を供給する。ＦＣ冷媒系４は、内部を冷媒が流れるＦＣ冷媒流路４０（第１の冷媒流路）、内部を流れる冷媒を放熱させるラジエータ４１、ラジエータ４１に風を送り放熱を促進させるクーリングファン４２、ラジエータ４１を通って冷却された冷媒の供給量とラジエータ４１を通らず冷却されていない冷媒の供給量との分配比を決定する流量調整弁４３及び冷媒を圧送しＦＣ冷媒流路４０内を循環させるためのウォーターポンプ４４等を備えている。ＦＣ冷媒流路４０の燃料電池２への入口側と出口側にはそれぞれ、温度センサＴ１、Ｔ２が設けられている。なお、燃料電池２の運転停止中でも冷媒が凍結しないように、冷媒としては好適にはエチレングリコール水溶液等の不凍液が用いられる。
【００２６】
ＦＣ冷媒流路４０は、温度調整された冷媒を燃料電池２に供給し、燃料電池２の内部を流れて燃料電池２と温度交換した冷媒を、再度温度調整して燃料電池２に供給する循環流路である。ＦＣ冷媒流路４０は、燃料電池２の出口側にて２つに分岐し、一方はラジエータ４１に連通して流量調整弁４３に流れ、他方は流量調整弁４３に直接連通している。
【００２７】
ＦＣ冷媒流路４０における冷媒の温度調整は２段階でなされる。第１段階の温度調整は、ラジエータ４１、クーリングファン４２及び流量調整弁４３によりなされる。すなわち、制御部７からの制御指令に従って、クーリングファン４２の回転数と、流量調整弁４３の開度を制御することで、ラジエータ４１における冷却の度合いと、この冷却された冷媒の供給量とラジエータ４１と通らず冷却されていない冷媒の供給量の分配比とを制御する。これにより、流量調整弁４３の下流に供給する冷媒の温度が調整される。
【００２８】
第２段階の温度調整は、ウォーターポンプ４４の下流側で行われる。ＦＣ冷媒流路４０は、後述するＣＮＶ冷媒系５の凝縮器５２と、ウォーターポンプ４４の下流側で熱接触し、ＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒と、凝縮器５２を流れる冷媒との間で熱交換がなされる。本実施の形態においては、制御部７による凝縮器５２を流れる冷媒の流量と温度が制御され、これによりＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒の温度も調整されるようになっている。
【００２９】
以上のとおり、ＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒は、２段階で温度調整がされ、一段階目はＦＣ冷媒流路４０内で独立して温度制御され、２段階目はＣＮＶ冷媒系５との熱交換により温度調整がされる。また、制御部７からの制御指令によりウォーターポンプ４４の回転数を制御することで、ＦＣ冷媒流路４０内部を流れる冷媒の流量が制御可能である。燃料電池２に供給する冷媒の温度と流量の双方が制御可能になっているから、これにより、燃料電池２を所定の稼動温度に保つことができる。
【００３０】
ＣＮＶ冷媒系５は、内部を冷媒が流れるＣＮＶ冷媒流路５０（第２の冷媒流路）、コンバータ３２の内部を通った冷媒をピストン等で圧縮し、高温（ＴH）かつ高圧の冷媒にする圧縮機５１、ＦＣ冷媒流路４０と熱接触し、圧縮機５１により高温高圧となった冷媒から熱をＦＣ冷媒流路に放出させることで、中温（ＴM）かつ高圧の冷媒にする凝縮器５２、凝縮器５２により中温高圧となった冷媒を、細管を通すことで減圧して低温（ＴL）かつ低圧の冷媒にする膨張弁５３とを備える。膨張弁５３を通った冷媒はコンバータ３２で熱吸収され、再び圧縮機５１をとおって循環される。このように、ＣＮＶ冷媒系５はヒートポンプサイクルを構成する。コンバータ３２には内部の半導体素子の温度を測定するための温度センサＴ３が設けられている。またＣＮＶ冷媒流路４０のコンバータ３２の出口側には、温度センサＴ４が設けられ、圧縮機５１の下流側には圧力センサＰ１が設けられている。なお、凍結防止のため冷媒としては好適にはエチレングリコール水溶液等の不凍液が用いられる。
【００３１】
ＣＮＶ冷媒系５を流れる冷媒の温度調整は、圧縮機５１と膨張弁５３とを制御することで行う。すなわち、制御部７からの指令により、圧縮機５１から冷媒に与える仕事、より具体的には冷媒の圧縮量を圧縮機５１の回転数を調整することで凝縮器５２に供給する冷媒の温度（ＴH）と流量を調整する。また、制御部７からの指令により膨張弁５３の開度を制御することにより、コンバータ３２に供給する冷媒の温度（ＴL）と流量を調整する。これにより、コンバータ３２を所定の稼動温度に保つことができるようになっている。
【００３２】
スタックケース６は、少なくとも、燃料電池２と、コンバータ３２と、ＦＣ冷媒系４及びＣＮＶ冷媒系５の少なくとも一部とを１つに収容する例えば金属製の筐体である。燃料電池２とコンバータ３２とが一つの筐体に配置されていることで、例えば燃料電池２とコンバータ３２とを車両１００の床下に一緒に搭載するといったことが可能になる。
【００３３】
制御部７は、燃料電池システム１Ａの制御用のコンピュータシステムであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御部７は、各種センサ群（例えば、燃料電池２、燃料電池２へ反応ガスを供給するガス系統、各種圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等）からの検出信号を入力し、燃料電池システム１の各構成要素に制御信号を出力する。
【００３４】
以下、特に制御部７によるＦＣ冷媒系４及びＣＮＶ冷媒系５の制御について、図２及び図３を用いて具体的に説明する。ここで、図２は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１ＡのＣＮＶ冷媒系５の制御方法を示すフローチャートである。また、図３は、第１の実施の形態に係る燃料電池システムのＦＣ冷媒系４の制御方法を示すフローチャートである。
【００３５】
まず、図２を用いて、ＣＮＶ冷媒系５の制御方法について説明する。はじめに、制御部７は、コンバータ３２の動作条件（コンバータ３２の通過電力および昇圧比）により、コンバータ３２の排熱量（ＣＮＶ排熱量）を推定する（ステップＡ１）。そして、ＣＮＶ発熱量に基づいて、コンバータ３２をどれだけ冷却すべきか、すなわち、コンバータ３２に供給する冷媒の流量（ＣＮＶ流量要求値）と温度（ＣＮＶ出口冷媒温度要求値）とを演算し（ステップＡ２）、当該演算値から圧縮機５１の出口冷媒圧力要求値も算出する（ステップＡ５）。
【００３６】
制御部７は、ＣＮＶ流量要求値、ＣＮＶ出口冷媒温度要求値及びＣＮＶ出口冷媒温度実測値に基づいて膨張弁５３の開度を調整する（ステップＡ３）。また、制御部７は、圧縮機５１の出口冷媒圧力要求値とその実測値とに基づいて圧縮機５１の回転数を調整する（ステップＡ６）。膨張弁５３の調整と、圧縮機５１の調整は、それぞれの要求値と実測値とが一致するまで行われる（ステップＡ４、Ａ７）。
【００３７】
その後、制御部７は、コンバータ３２の半導体素子の温度を温度センサＴ３で測定し、素子温度の実測値が、当該半導体素子の保証値（例えば、０度〜６５度）の範囲内であるかを測定する（ステップＡ８）。保証値範囲内に入っていなければ（ステップＡ８：ＮＯ）、ＣＮＶの排熱量の推定値等を修正した上で再びステップＡ２、Ａ５に戻り、一方、保証値範囲内（ステップＡ８：ＹＥＳ）であれば、膨張弁５３の開度と圧縮機５１の回転数をそのときの値で設定する（ステップＡ９、Ａ１０）。
【００３８】
尚、コンバータ３２の排熱量に応じた最適な膨張弁５３の開度と圧縮機５１の回転数を実験等で求めて予めマップ等に記憶し、当該マップ等を用いて、コンバータ３２の排熱量を推定した段階で、膨張弁５３の開度と圧縮機５１とを一意に決定するようにしてもよい。
【００３９】
次に、図３を用いて、ＦＣ冷媒系４の制御方法について説明する。はじめに、制御部７は、燃料電池２の出力電流及び出力電圧の実測値（または要求値でも構わない）により、燃料電池２の排熱量（ＦＣ排熱量）を推定する（ステップＢ１）。そして、ＦＣ発熱量に基づいて、燃料電池２をどれだけ冷却すべきか、すなわち、燃料電池２に供給する冷媒の流量（ＦＣ流量要求値）と温度（ＦＣ入口冷媒温度要求値）とを演算する（ステップＢ２）。
【００４０】
ここで、上述したようにＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒は、ＣＮＶ冷媒系５の凝縮器５２の放熱により温度上昇する（２段階目の温度調整）から、クーリングファン４２及び流量調整弁４３における温度調整量を決定する（１段階目の温度調整）ためには、まずは、凝縮器５２の放熱による温度上昇幅を推定する必要がある。当該推定は種々の方法が可能であるが、例えば、制御部７は、当該推定時における、凝縮器５２を流れる冷媒の温度及び流量並びにＦＣ入口温度実測値及びＦＣ流量要求値等に基づいて、ＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒が凝縮器５２と熱接触することで上昇する温度を推定する（ステップＢ３）。また例えば、ＦＣ冷媒系４とＣＮＶ冷媒系５の各種運転状態に応じた温度上昇値を実験で求めて予めマップ等に記憶し、当該マップ等を用いて、ＦＣ冷媒系４とＣＮＶ冷媒系５の運転状態から温度上昇幅を推定するようにしてもよい。
【００４１】
次に、制御部７は、ＦＣ流量要求値に基づいて、ウォーターポンプ４４の開度を調整する。あわせて、ＦＣ入口冷媒温度要求値と凝縮器５２からの放熱による冷媒温度上昇推定値とに基づいて、クーリングファン４２及び流量調整弁４３における温度調整量を算出し、クーリングファン４２の回転数及び流量調整弁４３の開度を調整する（ステップＢ５）。例えば、ＦＣ入口冷媒温度要求値が７０度で、凝縮器５２からの放熱により冷媒温度が５度上昇すると推定されるなら、制御部７は、ウォーターポンプ４４に供給する冷媒の温度を６５度になるように、クーリングファン４２の回転数及び流量調整弁４３の開度を調整する。
【００４２】
その後、制御部７は、ＦＣ入口冷媒温度を温度センサＴ１で測定し、実測値が要求値と異なっていれば（ステップＢ５：Ｎｏ）、冷媒温度上昇推定値等を修正した上で再びステップＢ４に戻り、一方、実測値と要求値とが一致していれば（ステップＢ５：ＹＥＳ）、ウォーターポンプ４４の開度、クーリングファン４２の回転数及び流量調整弁４３の開度をそのときの値に決定する。
【００４３】
以上の制御により、燃料電池２及びコンバータ３２に、それぞれの排熱量に応じて必要な流量及び温度の冷媒がそれぞれ供給される。しかも、コンバータ３２を冷却するための熱量を上記ヒートポンプ構成により燃料電池２に伝えることができるから、コンバータ３２の温度を燃料電池２よりも低くすることができる。このことは、コンバータ３２の冷媒の温度域（−４０℃〜７５℃）が、燃料電池２の稼動温度の最大値（９０℃）よりも低い点に鑑み好適である。また、ヒートポンプ構成によりコンバータ３２と燃料電池２とで熱交換を行うので熱効率が高い。
【００４４】
また、システム始動時等、燃料電池２について早急な温度上昇が必要な場合がある。このような場合、ＦＣ冷媒流路の冷媒を、ラジエータ４１を通さずに（すなわち冷却せずに）循環させて温度上昇を迅速に行うようにするが、ＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒を凝縮器５２に熱接触させることでさらに温度上昇させることができるので、結果として、システム始動時等に、燃料電池２の温度を迅速に所定の稼動温度にすることができる。
【００４５】
尚、上記実施の形態１において、ＣＮＶ冷媒流路５０とは逆向きのヒートポンプサイクルを構成する、他のＣＮＶ冷媒流路（第３の冷媒流路）を追加し、システムの運転状態に応じて、いずれか一方のＣＮＶ冷媒流路を選択的に用いる構成としてもよい。他のＣＮＶ冷媒流路を用いる場合においては、燃料電池２とコンバータ３２との熱交換の方向は逆になり、燃料電池２の熱量がコンバータ３２に伝えられることになる。これにより、例えば、高負荷により燃料電池２が非常に高温となって、燃料電池２について迅速な冷却が必要な場合には、上記他のＣＮＶ冷媒流路を用いることで、燃料電池２を急速に冷却する等といったことが可能になる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１Ｂの構造を示す模式図である。第２の実施の形態は、コンバータ３２とＦＣ冷媒流路４０との間にペルチェ素子８を備えている点で、コンバータ３２とＦＣ冷媒流路４０との間に冷媒系５を備える第１の実施の形態と異なる。以下、この相違点を中心に説明する。尚、第１の実施の形態と同様の部分についての説明は省略する。
【００４７】
図４に示すように、ペルチェ素子８は、一方の面でコンバータ３２に熱接触し、他方の面で燃料電池２の冷媒系４の冷媒流路４０に熱接触している。
【００４８】
より具体的には、図５に示すように、ペルチェ素子８の上面８０でコンバータ３２と接触し、ペルチェ素子８の下面８２で、ヒートシンク４５と接触している。ヒートシンク４５は、ＦＣ冷媒流路４０と一体的に形成されており、ヒートシンク４５の内部を冷媒が流通することで、放熱または吸熱が効率的に行われるようになっている。
【００４９】
ペルチェ素子８は、制御部７からの指令により、入力される電流の値とその方向が制御される。これにより、ペルチェ素子８の吸熱量及び発熱量並びに吸熱面及び発熱面が制御可能になっている。図５の例においては、上面８０が吸熱面で下面８２が発熱面である。すなわち、コンバータ３２は冷却され、ＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒は加熱されている。
【００５０】
ペルチェ素子８への電流の制御は制御部７により行われ、例えば、制御部７は、コンバータ３２の動作条件（コンバータ３２の通過電力および昇圧比）により、コンバータ３２の排熱量（ＣＮＶ排熱量）を推定し、ＣＮＶ発熱量に基づいてペルチェ素子８への通電量を決定する。その後、制御部７は、コンバータ３２の半導体素子の温度を温度センサＴ３で測定し、素子温度の実測値が、当該半導体素子の保証値（例えば、０度〜６５度）の範囲内であるかを測定し、保証値範囲内にはいるまでペルチェ素子８への通電量を調整する。一方、制御部７は、ペルチェ素子８の通電量からＦＣ冷媒流路４０への放熱量を算出し、この放熱量に基づいてＦＣ冷媒流路４０を流れる冷媒の温度上昇を推定する（第１の実施の形態における図３のＢ３ステップに相当）。制御部７は、この推定値等を用いて燃料電池２へ供給する冷媒の温度を調整するようになっている。
【００５１】
本実施の形態においては、ペルチェ素子８がコンバータ３２の冷媒系として機能するので、コンバータ３２のために冷媒流路を設ける場合に比べて燃料電池システムを小型化することができる。また、ペルチェ素子８は、電流を変化させるだけで吸熱量及び発熱量ならびに吸熱面及び発熱面を制御可能であるので、コンバータ３２と燃料電池２の温度調整を容易に行える。この際、コンバータ３２及び燃料電池２のうち温度調整がより必要な対象を重点的に加熱または吸熱することもできるので、システム全体として温度調整を最適化することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システム１Ｃの構造を示す模式図である。第３の実施の形態は、ペルチェ素子８と、コンバータ３２との間に、ＣＮＶ冷媒流路９０（第４の冷媒流路）を備えている点で、コンバータ３２とペルチェ素子８が直接的に接触している第２の実施の形態と異なる。
【００５３】
本実施の形態においては、ペルチェ素子８は、ＣＮＶ冷媒流路９０内部を流れる冷媒と熱接触し、この冷媒がウォーターポンプにより循環されてコンバータ３２と熱交換する。すなわち、コンバータ３２は、ペルチェ素子８によりＣＮＶ冷媒流路９０を介して間接的に加熱または吸熱される。この構成の利点は、ペルチェ素子８による温度制御性の高さを保ちつつ、ペルチェ素子８とコンバータ３２とを物理的に離間させることができることにある。これにより例えば、ＦＣ冷媒流路４０内の冷媒が電気を帯びているような場合においては、ペルチェ素子８を介したＣＮＶ冷媒流路９０を絶縁物として機能させることができるし、また例えば、ＣＮＶ冷媒流路９０の流路長を変更することで、スタックケース６内のコンバータ３２を自在に配置することができる。
【００５４】
以上本発明の各実施形態を示したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ……燃料電池システム、２……燃料電池、３……電力系、３２……コンバータ、３４……インバータ、３６……トランクションモータ、４……ＦＣ冷媒系、４０……ＦＣ冷媒流路、４１……ラジエータ、４２……クーリングファン、４３……流量調整弁、４４……ウォーターポンプ、４５……ヒートシンク、５……ＣＮＶ冷媒系、５０……ＣＮＶ冷媒流路、５１……        圧縮機、５２……凝縮器、５３……膨張弁、６……スタックケース、７……制御部、８……ペルチェ素子、８０……上面、８２……下面、１００……車両、１０１Ｌ、１０１……車輪、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４……温度センサ、Ｐ１……圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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