(57)【要約】【課題】この発明は、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することが可能であり、安定した出力を早期に燃料電池から得ることが可能な車両用燃料電池システムの温度制御装置を実現することを目的とする。【解決手段】この発明は、車両の駆動用エネルギ源として、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成されたスタックセルを備えた燃料電池スタックを搭載した車両用燃料電池システムの温度制御装置において、燃料電池スタックの二つのスタックセル間に、１枚の放熱板を挟んだ二枚の熱電変換素子を備え、熱電変換素子に電力を供給する電源を備え、燃料電池スタックの温度が設定温度未満の場合には、熱電変換素子へ電力を供給する電力供給手段を備えていることを特徴する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の駆動用エネルギ源として、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成されたスタックセルを備えた燃料電池スタックを搭載した車両用燃料電池システムの温度制御装置において、前記燃料電池スタックの二つのスタックセル間に、１枚の放熱板を挟んだ二枚の熱電変換素子を備え、前記熱電変換素子に電力を供給する電源を備え、前記燃料電池スタックの温度が設定温度未満の場合には、前記熱電変換素子へ電力を供給する電力供給手段を備えていることを特徴する車両用燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項２】
車両の駆動用エネルギ源として、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成されたスタックセルを備えた燃料電池スタックを搭載した車両用燃料電池システムの温度制御装置において、前記燃料電池スタックの二つのスタックセル間に、１枚の放熱板を挟んだ二枚の熱電変換素子を備え、前記熱電変換素子に電力を供給する電源を備え、前記燃料電池スタックの温度が設定温度以上の場合には、前記熱電変換素子で発生した電力を二次電池に蓄電する蓄電手段を備えていることを特徴する車両用燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項３】
前記車両は車室内を冷暖房するエアコンを備え、このエアコン用冷媒により前記放熱板を冷却していることを特徴する請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の車両用燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項４】
前記車両は車両駆動用モータを備え、この車両駆動用モータを冷却する冷却装置を備え、この冷却装置により前記放熱板を冷却していることを特徴する請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の車両用燃料電池システムの温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は車両用燃料電池システムの温度制御装置に係り、特に、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することが可能であり、安定した出力を早期に燃料電池から得ることが可能な車両用燃料電池システムの温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の駆動用エネルギ源として燃料電池スタックを搭載した車両用燃料電池システムとしては、図６・図７に示すものがある。図６において、１０１は車両、１０２は車両用燃料電池システム、１０３は燃料電池スタックである。燃料電池スタック１０３は、図７に示すように、アノード１０４とカソード１０５との間に電解質膜１０６を挟みこむことにより構成されたスタックセル１０７を複数積層している。
燃料電池スタック１０３には、アノード１０４側に水素ガス供給路１０８により水素燃料タンク１０９を接続し、水素ガス供給路１０８の途中に流量制御弁１１０を設けるとともに、カソード１０５側に空気供給路１１１により空気圧縮器１１２を接続している。燃料電池スタック１０３は、水素燃料タンク１０９からアノード１０４・電解質膜１０６間に供給される水素ガスと空気圧縮器１１２からカソード１０５・電解質膜１０６間に供給される空気（酸素ガス）との化学反応により電気エネルギを発生（発電）する。
燃料電池スタック１０３には、駆動用電力線１１３により車両駆動用モータ１１４を接続している。車両駆動用モータ１１４は、燃料電池スタック１０３の発生する電力により車輪１１５を駆動して車両１０１を走行させる。また、燃料電池スタック１０３には、バッテリ用電力線１１６により電源としてバッテリ１１７を接続している。
車両用燃料電池システム１０２は、車両駆動用モータ１１４やシステム補機１１８を冷却する補機用冷却装置１１９を備えている。補機用冷却装置１１９は、冷却水を放熱するラジエータ１２０と、ラジエータ１２０に送風するラジエータファン１２１を駆動するファンモータ１２２と、ラジエータ１２０と車両駆動用モータ１１４及びシステム補機１１８との間に冷却水を循環させる冷却水通路１２３と、冷却水通路１２３に冷却水を圧送する冷却水ポンプ１２４とを備えている。補機用冷却装置１１９は、駆動時に発熱する車両駆動用モータ１１４及びシステム補機１１８を冷却水により冷却し、車両駆動用モータ１１４及びシステム補機１１８の温度を適正な温度に維持する。
また、車両用燃料電池システム１０２は、燃料電池スタック１０３を冷却する燃料電池用冷却装置１２５を備えている。燃料電池用冷却装置１２５は、冷却水を放熱するラジエータ１２６と、ラジエータ１２６に送風するラジエータファン１２７を駆動するファンモータ１２８と、燃料電池スタック１０３の二つのスタックセル７間とラジエータ１２６との間に冷却水を循環させる冷却水通路１２９と、冷却水通路１２９に冷却水を圧送する冷却水ポンプ１３０とを備えている。燃料電池用冷却装置１２５は、発電時に発熱する燃料電池スタック１０３を冷却水により冷却し、燃料電池スタック１０３の温度を動作が安定する設定温度（例えば、６０℃〜８０℃）に維持することにより、発電能力を安定させている。
前記燃料電池スタック１０３と流量制御弁１１０と空気圧縮器１１２と補機用冷却装置１１９のファンモータ１２２及び冷却水ポンプ１２４と燃料電池用冷却装置１２５のファンモータ１２８及び冷却水ポンプ１３０とは、車両用燃料電池システム１０２の制御手段１３２に信号線１３３〜１３７により接続している。制御手段１３２は、これら機器１１０、１１２、１２２、１２４、１２８、１３０により燃料電池スタック１０３の動作を制御し、車両駆動用モータ１１４、システム補機１１８等が要求する電力を発生する。
【０００３】
従来の車両用燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを適正な設定温度に維持する温度制御装置としては、燃料電池スタックに循環される冷却水を利用したものがある。
【特許文献１】特開２００１−１４３７３７号公報
【０００４】
また、従来の車両用燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを適正な設定温度に維持する温度制御装置としては、熱電変換素子を利用したものがある。
【特許文献２】特開２００１−２３６６６号公報
【特許文献３】特開２００２−３１３３９１号公報
【特許文献４】特開２００５−２２８５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の車両用燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックに水素ガスと空気とを供給して発電を行っている。車両用燃料電池システムの発電電力は、水素ガスのｍｏｌ数や空気のｍｏｌ数だけでなく、燃料電池スタック温度によっても大きく影響を受ける（高温：イオン交換膜の劣化、低温：出力が不安定）ので、固体高分子型の燃料電池の場合に、動作が安定する設定温度（例えば、６０℃〜８０℃）に維持するために、冷却水による温度制御を行っている。
従来は、図６・図７に示すように、燃料電池スタック１０３内部に冷却水を循環させる冷却水通路１２９を備えた燃料電池用冷却装置１２５を設け、冷却水を燃料電池スタック１０３に循環させ、設定温度に管理された専用の冷却系統（燃料電池用冷却装置１２５）により温度管理を行っていた。なお、数百Ｖの高電圧部品である燃料電池スタック１０３内部に流す冷却水には、電気絶縁性を高く保持する必要があるため、イオンが含まれない純水を用いている。
【０００６】
ところが、冷却水として純水を使った場合には、氷点下となるような気象状態において、燃料電池スタック１０３内の冷却水である純水が凍り冷却水通路１２９を塞ぐため、燃料電池スタック１０３を始動することができない問題がある。
また、燃料電池スタック１０３の始動から動作が安定する設定温度になるまでは、燃料電池スタック１０３と燃料電池用冷却装置１２５内の冷却水とを上昇させるのに数分から数十分かかるため、その間発電が安定しない問題がある。
さらに、車両１０１に搭載される車両用燃料電池システム１０２では、燃料電池スタック１０３の発電により生成された熱は動作温度である適正温度を維持するため、燃料電池用冷却装置１２５のラジエータ１２６により空気中に放熱される問題があり、また、燃料電池スタック１０３専用の燃料電池用冷却装置１２５が必要となるため、重量の増加、ファンモータ１２８や冷却水ポンプ１３０の消費電力の増加、積載スペースの増加、振動やノイズの発生が起こる問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することが可能であり、安定した出力を早期に燃料電池スタックから得ることが可能な車両用燃料電池システムの温度制御装置を実現するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の車両用燃料電池システムの温度制御装置は、車両の駆動用エネルギ源として、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟みこむことにより構成されたスタックセルを備えた燃料電池スタックを搭載した車両用燃料電池システムの温度制御装置において、前記燃料電池スタックの二つのスタックセル間に、１枚の放熱板を挟んだ二枚の熱電変換素子を備え、前記熱電変換素子に電力を供給する電源を備え、前記燃料電池スタックの温度が設定温度未満の場合には、前記熱電変換素子へ電力を供給する電力供給手段を備えていることを特徴する。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の車両用燃料電池システムの温度制御装置は、燃料電池スタックの温度管理制御に冷却水を用いていないので、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することが可能であり、燃料電池スタックの動作が安定する設定温度に早期に到達させることが可能なため、安定した出力を早期に燃料電池スタックから得ることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の車両用燃料電池システムの温度制御装置は、燃料電池スタックの温度が動作が安定する設定温度未満の場合には、燃料電池スタックの熱電変換素子へ電力を供給することで、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することを可能とし、安定した出力を早期に燃料電池スタックから得ることができるようにするものである。
以下図面に基づいて、この発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
図１〜図４は、この発明の実施例を示すものである。図１は車両用燃料電池システムの温度制御装置の概略構成図、図２は燃料電池スタックの構成図、図３は熱電変換素子の説明図、図４は温度制御のフローチャートである。図１において、１は車両、２は車両用燃料電池システムである。車両用燃料電池システム２は、車両１の駆動用エネルギ源として燃料電池スタック３を搭載している。燃料電池スタック３は、図２に示すように、アノード４とカソード５との間に電解質膜６を挟みこむことにより構成されたスタックセル７を備え、このスタックセル７を複数積層し、隣接する二つのスタックセル７の一方のスタックセル７のカソード５と他方のスタックセル７のアノード４とを導電体により電気的に接続している。
燃料電池スタック３には、アノード４側に水素ガス供給路８により水素燃料タンク９を接続し、水素ガス供給路８の途中に流量制御弁１０を設けるとともに、カソード５側に空気供給管１１により空気圧縮器１２を接続している。燃料電池スタック３は、水素燃料タンク９からアノード４・電解質膜６間に供給される水素ガスと空気圧縮器１２からカソード５・電解質膜６間に供給される空気（酸素ガス）との化学反応により電気エネルギを発生（発電）する。
燃料電池スタック３には、駆動用電力線１３により車両駆動用モータ１４を接続している。車両駆動用モータ１４は、燃料電池スタック３の発生する電力により車輪１５を駆動して車両１を走行させる。また、燃料電池スタック３には、バッテリ用電力線１６により電源としてバッテリ１７を接続している。このバッテリ１７は、充放電可能な二次電池からなる。
車両用燃料電池システム２は、車両駆動用モータ１４やシステム補機１８を冷却する補機用冷却装置１９を備えている。補機用冷却装置１９は、冷却水を放熱するラジエータ２０と、ラジエータ２０に送風するラジエータファン２１を駆動するファンモータ２２と、ラジエータ２０と車両駆動用モータ１４及びシステム補機１８との間に冷却水を循環させる冷却水通路２３と、冷却水通路２３に冷却水を圧送する冷却水ポンプ２４とを備えている。補機用冷却装置１９は、駆動時に発熱する車両駆動用モータ１４及びシステム補機１８を冷却水により冷却し、車両駆動用モータ１４及びシステム補機１８の温度を適正な温度に維持する。
前記燃料電池スタック３と流量制御弁１０と空気圧縮器１２と補機用冷却装置１９のファンモータ２２及び冷却水ポンプ２４とは、車両用燃料電池システム２の制御手段２５に信号線２６〜３０により接続している。制御手段２５は、これら機器１０、１２、２２、２４により燃料電池スタック３の動作を制御し、車両駆動用モータ１４、システム補機１８等が要求する電力を発生する。
この車両用燃料電池システム２は、燃料電池スタック３の温度を制御する温度制御装置３１を備えている。温度制御装置３１は、図２に示すように、燃料電池スタック３の隣接する二つのスタックセル７間に、１枚の固体である放熱板３２を挟んだ二枚の熱電変換素子３３を備えている。
熱電変換素子３３は、図３に示すように、異種の導体であるＰ型半導体素子３４とＮ型半導体素子３５とを交互に導電体３６・３７により接続して各接続側を夫々絶縁体３８・３９で挟んだ構造であり、両端の電極４０・４１間に通電して電圧をかけると発熱・吸熱し（ペルチェ効果）、２枚の絶縁体３８・３９の温度差に応じて両端の電極４０・４１間に電圧を発生（ゼーベック効果）する。
前記放熱板３２には、図１に示すように、前記補機用冷却装置１９の冷却水通路２３を循環させている。放熱板３２は、冷却水通路２３の冷却水で冷却される。前記各熱電変換素子２８は、夫々素子用電力線４２により前記制御手段２５に接続している。制御手段２５には、充放電用電力線４３により前記バッテリ１７を接続している。バッテリ１７は、素子用電力線４２及び充放電用電力線４３を介して熱電変換素子３３に電力を供給し、熱電変換素子３３が発生した電力を蓄電する。
温度制御装置３１は、前記制御手段２５に、電力供給手段４４と蓄電手段４５とを備え、燃料電池スタック３の各スタックセル７の温度を夫々検出する温度センサ４６を信号線４７により接続している。前記電力供給手段４４は、温度センサ４６の検出する燃料電池スタック３のスタックセル７の温度が設定温度未満の場合には、電源であるバッテリ１７から熱電変換素子３３へ電力を供給する。前記蓄電手段４５は、温度センサ４６の検出する燃料電池スタック３のスタックセル７の温度が設定温度以上の場合には、熱電変換素子３３で発生した電力を二次電池であるバッテリ１７に蓄電する。
【００１２】
次に、作用を説明する。
車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、図４に示すように、車両用燃料電池システム２が起動操作されて始動すると（Ｓ０１）、温度センサ４６の検出するスタックセル７の温度が極低温（例えば、０℃以下）であるか否かを判断する（Ｓ０２）。
この判断（Ｓ０２）がＹＥＳの場合は、バッテリ１７の電力を熱電変換素子３３に供給して通電し発熱させ、放熱板３２への補機用冷却装置１９の冷却水流通を停止することで、スタックセル７を加熱して暖める（Ｓ０３）。
この判断（Ｓ０２）がＮＯの場合は、燃料電池スタック３に水素ガスと空気とを供給して始動し（Ｓ０４）、スタックセル７の温度が設定温度未満の低温（例えば、０℃〜６０℃）であるか否かを判断する（Ｓ０５）。
この判断（Ｓ０５）がＹＥＳの場合は、燃料電池スタック３の発電電力の一部を熱電変換素子３３に供給して通電し発熱させ、放熱板３２への補機用冷却装置１９の冷却水流通を停止することで、スタックセル７を加熱して暖める（Ｓ０６）。
この判断（Ｓ０５）がＮＯの場合は、スタックセル７の温度が適正な設定温度（例えば、６０℃〜８０℃）であるか否かを判断する（Ｓ０７）。
この判断（Ｓ０７）がＹＥＳの場合は、燃料電池スタック３を通常発電するように動作させ、各スタックセル７の温度にバラツキがある場合、熱電変換素子３３からの発熱と吸熱による冷却とで温度の均一化を図る（Ｓ０８）。
この判断（Ｓ０７）がＮＯの場合は、スタックセル７の温度が設定温度以上の高温（例えば、８０℃以上）であるか否かを判断する（Ｓ０９）。
この判断（Ｓ０９）がＹＥＳの場合は、燃料電池スタック３の発電に加えて、熱電変換素子３３の温度差により発電し、放熱板３２を冷却水により冷却し、この冷却水をラジエータ２０により放熱し、スタックセル７の発熱を吸熱して冷却する（Ｓ１０）。熱電変換素子２８の発生した電力は、バッテリ１７に蓄電される。
この判断（Ｓ０９）がＮＯの場合であって、車両用燃料電池システム２が停止操作された場合は、燃料電池スタック３への水素ガスと空気との供給を遮断して動作を停止し（Ｓ１１）、システムを停止する（Ｓ１２）。
【００１３】
このように、この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、燃料電池スタック３の温度が設定温度未満の場合には、熱電変換素子３３へ電力を供給してスタックセル７を加熱しており、燃料電池スタック３の温度管理制御に冷却水を用いていないので、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタック３を始動することが可能であり、燃料電池スタック３の動作が安定する設定温度に早期に到達させることが可能なため、安定した出力を早期に燃料電池スタック３から得ることできる。
また、この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、燃料電池スタック３の温度が設定温度以上の場合には、熱電変換素子３３で発生した電力を二次電池のバッテリ１７に蓄電するので、熱電変換素子３３により、吸熱されたエネルギーを電力に変換した後、バッテリ１７に蓄えることができる。これにより、この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、無駄な熱エネルギーの放出を削減することができる。
さらに、この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、二枚の熱電変換素子３３で挟まれる放熱板３２に固体を用いているので、スタックセル７との電気絶縁性を確保することができる。
また、車両１は、車両駆動用モータ１４を備え、この車両駆動用モータ１４を冷却する補機用冷却装置１９を備え、この補機用冷却装置１９の冷却水により放熱板３２を冷却しているので、放熱板３２より放出される燃料電池スタック３の熱エネルギーを冷却するためだけの専用の燃料電池用冷却装置（図６参照）を設ける必要がない。これより、この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、冷却系統を一系統省略することができ、冷却水ポンプ等の部品や冷却水通路等の配管や冷却水の重量を削減でき、消費電力の大きな冷却水ポンプやファンモータが必要なくなり、冷却水ポンプ等の部品や冷却水通路等の配管の設置スペースを削減でき、冷却水ポンプ等の部品といった振動源やノイズ源を無くすことができる。
【００１４】
図５は、変形例を示すものである。前記車両１は、車室内を冷暖房するエアコン４８を備えている。エアコン４８は、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機４９、圧縮された冷媒を減圧する膨張器５０、冷媒により車室内の空気を冷却するエバポレータ５１、エバポレータ５１に送風するエバポレータファン５２を駆動するファンモータ５３、冷媒圧縮機４９と膨張器５０とエバポレータ５１との間に冷媒を循環させる冷媒回路５４からなる冷房装置を備え、また、発熱体により車室内の空気を昇温する暖房装置を備えている。
前記車両用燃料電池システム２の補機用冷却装置１９の冷却水の熱は、ラジエータ２０より大気開放されるため、外気温度より冷却水温度が下がることはない。夏など外気温が高く、エアコン４８を使用している場合には、冷媒で放熱板３２を冷却することで、放熱板を冷媒の温度（０℃）近くまで下げることができる。
この車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、冷媒圧縮機４９とファンモータ５３とを制御手段２５に信号線５５・５６により接続し、前記放熱板３２にエアコン４８の冷媒回路５４を循環させている。放熱板３２は、冷媒回路５４の冷媒で冷却される。
このように、車両用燃料電池システム２の温度制御装置３１は、エアコン４８の冷媒により放熱板３２を冷却しているので、放熱板３２より放出される燃料電池スタック３の熱エネルギーを冷却するためだけの専用の冷却装置を設ける必要がない。放熱板３２を挟む熱電変換素子３３は、温度差が大きいほど変換される電圧が大きくなるため、放熱板３２を冷媒で冷却することによって、熱電変換素子３３の１枚あたりの熱電変換電力を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
この発明の車両用燃料電池システムの温度制御装置は、氷点下となるような気象状態においても燃料電池スタックを始動することを可能とし、安定した出力を早期に燃料電池スタックから得ることができるようにするものであり、エネルギ源として燃料電池システムを利用した産業機器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施例を示す車両用燃料電池システムの温度制御装置の概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックの構成図である。
【図３】熱電変換素子の説明図である。
【図４】温度制御のフローチャートである。
【図５】この発明の変形例を示す車両用燃料電池システムの温度制御装置の概略構成図である。
【図６】従来例を示す車両用燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】燃料電池スタックの構成図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  車両
２  車両用燃料電池システム
３  燃料電池スタック
４  アノード
５  カソード
６  電解質膜
７  スタックセル
１４  車両駆動用モータ
１５  車輪
１７  バッテリ
１８  システム補機
１９  補機用冷却装置
３１  温度制御装置
３２  放熱板
３３  熱電変換素子
４４  電力供給手段
４５  蓄電手段
４６  温度センサ
【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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【図７】
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