JP2008140611A - Temperature control device of fuel cell system for vehicle - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a temperature control device of a fuel cell system for a vehicle, capable of starting up a fuel cell stack even under meteorological conditions threatening to be below a freezing point, and obtaining a stable output from the fuel cell at early stages. <P>SOLUTION: The temperature control device of the fuel cell system for a vehicle loading a fuel cell stack equipped with stack cells each structured of an anode and a cathode pinching an electrolyte film as an energy source for driving a vehicle is provided with two sheets of thermoelectric conversion elements pinching a sheet of heat sink between two stack cells of the fuel cell stack, a power source supplying power to the thermoelectric conversion elements, and yet, a power supply means supplying power to the thermoelectric conversion elements in case a temperature of the fuel cell stack is below a preset temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a temperature control device for a vehicle fuel cell system, and in particular, it is possible to start a fuel cell stack even in a weather condition where the temperature is below freezing, and to obtain a stable output from the fuel cell at an early stage. The present invention relates to a temperature control device for a vehicle fuel cell system.

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。 As a vehicle fuel cell system equipped with a fuel cell stack as a vehicle driving energy source, there are those shown in FIGS. In FIG. 6, 101 is a vehicle, 102 is a vehicle fuel cell system, and 103 is a fuel cell stack. As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 103 includes a plurality of stack cells 107 that are configured by sandwiching an electrolyte membrane 106 between an anode 104 and a cathode 105.
A hydrogen fuel tank 109 is connected to the fuel cell stack 103 by a hydrogen gas supply path 108 on the anode 104 side, a flow control valve 110 is provided in the middle of the hydrogen gas supply path 108, and an air supply path 111 is provided on the cathode 105 side. An air compressor 112 is connected. The fuel cell stack 103 includes a chemical reaction between hydrogen gas supplied from the hydrogen fuel tank 109 between the anode 104 and the electrolyte membrane 106 and air (oxygen gas) supplied from the air compressor 112 between the cathode 105 and the electrolyte membrane 106. Electric energy is generated (power generation).
A vehicle driving motor 114 is connected to the fuel cell stack 103 via a driving power line 113. The vehicle driving motor 114 drives the wheels 115 with the electric power generated by the fuel cell stack 103 to cause the vehicle 101 to travel. In addition, a battery 117 is connected to the fuel cell stack 103 as a power source through a battery power line 116.
The vehicle fuel cell system 102 includes an auxiliary device cooling device 119 for cooling the vehicle driving motor 114 and the system auxiliary device 118. The auxiliary device cooling device 119 includes a radiator 120 that radiates cooling water, a fan motor 122 that drives a radiator fan 121 that blows air to the radiator 120, and a radiator 120, a vehicle driving motor 114, and a system auxiliary device 118. A cooling water passage 123 that circulates the cooling water and a cooling water pump 124 that pumps the cooling water into the cooling water passage 123 are provided. The auxiliary machine cooling device 119 cools the vehicle driving motor 114 and the system auxiliary machine 118 that generate heat during driving with cooling water, and maintains the temperatures of the vehicle driving motor 114 and the system auxiliary machine 118 at appropriate temperatures.
The vehicle fuel cell system 102 includes a fuel cell cooling device 125 that cools the fuel cell stack 103. The fuel cell cooling device 125 includes a radiator 126 that dissipates cooling water, a fan motor 128 that drives a radiator fan 127 that blows air to the radiator 126, and between the two stack cells 7 of the fuel cell stack 103 and the radiator 126. The cooling water passage 129 for circulating the cooling water to the cooling water passage 130 and the cooling water pump 130 for pumping the cooling water to the cooling water passage 129 are provided. The fuel cell cooling device 125 cools the fuel cell stack 103 that generates heat during power generation with cooling water, and maintains the temperature of the fuel cell stack 103 at a set temperature (for example, 60 ° C. to 80 ° C.) at which operation is stable. , Stabilizing the power generation capacity.
The fuel cell stack 103, the flow control valve 110, the air compressor 112, the fan motor 122 and the cooling water pump 124 of the auxiliary device cooling device 119, and the fan motor 128 and the cooling water pump 130 of the fuel cell cooling device 125 are: Signal lines 133 to 137 are connected to the control means 132 of the vehicle fuel cell system 102. The control means 132 controls the operation of the fuel cell stack 103 by these devices 110, 112, 122, 124, 128, 130, and generates electric power required by the vehicle drive motor 114, the system auxiliary machine 118, and the like.

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。
特開２００１−１４３７３７号公報 In a conventional vehicle fuel cell system, as a temperature control device that maintains the fuel cell stack at an appropriate set temperature, there is one that uses cooling water circulated through the fuel cell stack.
JP 2001-143737 A

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。
特開２００１−２３６６６号公報 特開２００２−３１３３９１号公報 特開２００５−２２８５２３号公報 Moreover, in the conventional fuel cell system for vehicles, as a temperature control device for maintaining the fuel cell stack at an appropriate set temperature, there is one using a thermoelectric conversion element.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-23666 JP 2002-313391 A JP 2005-228523 A

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。 By the way, in the conventional fuel cell system for vehicles, hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack to generate power. The power generated by the vehicle fuel cell system is greatly influenced not only by the number of moles of hydrogen gas and the number of moles of air, but also by the fuel cell stack temperature (high temperature: deterioration of the ion exchange membrane, low temperature: unstable output) Therefore, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, temperature control with cooling water is performed in order to maintain a set temperature (for example, 60 ° C. to 80 ° C.) at which operation is stable.
Conventionally, as shown in FIGS. 6 and 7, a fuel cell cooling device 125 having a cooling water passage 129 for circulating cooling water is provided inside the fuel cell stack 103, and the cooling water is circulated through the fuel cell stack 103. The temperature was controlled by a dedicated cooling system (fuel cell cooling device 125) managed at the set temperature. Note that pure water that does not contain ions is used for the cooling water flowing inside the fuel cell stack 103, which is a high-voltage component of several hundred volts, because it is necessary to maintain high electrical insulation.

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。 However, when pure water is used as the cooling water, the pure water, which is the cooling water in the fuel cell stack 103, freezes and closes the cooling water passage 129 in a weather condition that is below freezing point. There is a problem that cannot be started.
Also, it takes several minutes to several tens of minutes to raise the fuel cell stack 103 and the cooling water in the fuel cell cooling device 125 from the start of the fuel cell stack 103 to the set temperature at which the operation becomes stable. There is a problem that power generation is not stable.
Furthermore, in the vehicular fuel cell system 102 mounted on the vehicle 101, the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 103 maintains an appropriate temperature, which is the operating temperature, so that the air is discharged by the radiator 126 of the fuel cell cooling device 125. In addition, there is a problem that heat is dissipated in the interior, and the fuel cell cooling device 125 dedicated to the fuel cell stack 103 is required. Therefore, the weight increases, the power consumption of the fan motor 128 and the cooling water pump 130 increases, There are problems that increase, vibration and noise occur.

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。   An object of the present invention is to control the temperature of a fuel cell system for a vehicle that can start the fuel cell stack even in a weather condition that is below freezing and can obtain a stable output from the fuel cell stack at an early stage. To realize the device.

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。   A temperature control apparatus for a vehicle fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack including a stack cell configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode and a cathode as an energy source for driving a vehicle. In the temperature control device for a fuel cell system for a vehicle, a power source that includes two thermoelectric conversion elements sandwiching one heat radiating plate between two stack cells of the fuel cell stack and supplies electric power to the thermoelectric conversion elements And when the temperature of the fuel cell stack is lower than a set temperature, it is provided with power supply means for supplying power to the thermoelectric conversion element.

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。   Since the temperature control device of the fuel cell system for vehicles according to the present invention does not use cooling water for temperature management control of the fuel cell stack, it is possible to start the fuel cell stack even in a weather condition that is below freezing. Since the set temperature at which the operation of the fuel cell stack is stable can be reached at an early stage, a stable output can be obtained from the fuel cell stack at an early stage.

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。 When the temperature of the fuel cell stack is lower than a set temperature at which the operation is stable, the temperature control device for a vehicle fuel cell system according to the present invention supplies the electric power to the thermoelectric conversion element of the fuel cell stack, and the temperature becomes below freezing point. The fuel cell stack can be started even in such a weather condition, and a stable output can be obtained from the fuel cell stack at an early stage.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。 1 to 4 show an embodiment of the present invention. 1 is a schematic configuration diagram of a temperature control device of a fuel cell system for a vehicle, FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell stack, FIG. 3 is an explanatory diagram of a thermoelectric conversion element, and FIG. 4 is a flowchart of temperature control. In FIG. 1, 1 is a vehicle, 2 is a fuel cell system for vehicles. The vehicle fuel cell system 2 includes a fuel cell stack 3 as a driving energy source for the vehicle 1. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 includes a stack cell 7 configured by sandwiching an electrolyte membrane 6 between an anode 4 and a cathode 5. A plurality of stack cells 7 are stacked and adjacent to each other. The cathode 5 of one stack cell 7 of the two stack cells 7 and the anode 4 of the other stack cell 7 are electrically connected by a conductor.
A hydrogen fuel tank 9 is connected to the fuel cell stack 3 by a hydrogen gas supply path 8 on the anode 4 side, a flow control valve 10 is provided in the middle of the hydrogen gas supply path 8, and an air supply pipe 11 is provided on the cathode 5 side. An air compressor 12 is connected. The fuel cell stack 3 includes a chemical reaction between hydrogen gas supplied from the hydrogen fuel tank 9 between the anode 4 and the electrolyte membrane 6 and air (oxygen gas) supplied from the air compressor 12 between the cathode 5 and the electrolyte membrane 6. Electric energy is generated (power generation).
A vehicle driving motor 14 is connected to the fuel cell stack 3 through a driving power line 13. The vehicle drive motor 14 drives the wheel 15 with the electric power generated by the fuel cell stack 3 to drive the vehicle 1. A battery 17 is connected to the fuel cell stack 3 as a power source through a battery power line 16. The battery 17 is a rechargeable secondary battery.
The vehicle fuel cell system 2 includes an auxiliary device cooling device 19 that cools the vehicle drive motor 14 and the system auxiliary device 18. The auxiliary device cooling device 19 includes a radiator 20 that radiates cooling water, a fan motor 22 that drives a radiator fan 21 that blows air to the radiator 20, and the radiator 20, the vehicle driving motor 14, and the system auxiliary device 18. A cooling water passage 23 that circulates the cooling water and a cooling water pump 24 that pumps the cooling water into the cooling water passage 23 are provided. The auxiliary machine cooling device 19 cools the vehicle driving motor 14 and the system auxiliary machine 18 that generate heat during driving with cooling water, and maintains the temperatures of the vehicle driving motor 14 and the system auxiliary machine 18 at appropriate temperatures.
The fuel cell stack 3, the flow control valve 10, the air compressor 12, the fan motor 22 and the cooling water pump 24 of the auxiliary device cooling device 19 are connected to the control means 25 of the vehicle fuel cell system 2 by signal lines 26 to 30. Connected by. The control means 25 controls the operation of the fuel cell stack 3 by these devices 10, 12, 22, 24 and generates electric power required by the vehicle drive motor 14, the system auxiliary machine 18, and the like.
The vehicle fuel cell system 2 includes a temperature control device 31 that controls the temperature of the fuel cell stack 3. As shown in FIG. 2, the temperature control device 31 includes two thermoelectric conversion elements 33 with a single heat radiation plate 32 sandwiched between two adjacent stack cells 7 of the fuel cell stack 3. Yes.
As shown in FIG. 3, in the thermoelectric conversion element 33, P-type semiconductor elements 34 and N-type semiconductor elements 35, which are different kinds of conductors, are alternately connected by conductors 36 and 37, and each connection side is an insulator 38.・ It is a structure sandwiched between 39, and when a voltage is applied between the electrodes 40 and 41 at both ends, heat is generated and absorbed (Peltier effect). The electrodes at both ends according to the temperature difference between the two insulators 38 and 39. A voltage is generated between 40 and 41 (Seebeck effect).
As shown in FIG. 1, a cooling water passage 23 of the auxiliary device cooling device 19 is circulated in the heat radiating plate 32. The radiator plate 32 is cooled by the cooling water in the cooling water passage 23. Each thermoelectric conversion element 28 is connected to the control means 25 by an element power line 42. The battery 17 is connected to the control means 25 through a charge / discharge power line 43. The battery 17 supplies power to the thermoelectric conversion element 33 via the element power line 42 and the charge / discharge power line 43 and stores the power generated by the thermoelectric conversion element 33.
The temperature control device 31 includes a power supply means 44 and a power storage means 45 in the control means 25, and a temperature sensor 46 that detects the temperature of each stack cell 7 of the fuel cell stack 3 is connected by a signal line 47. Yes. When the temperature of the stack cell 7 of the fuel cell stack 3 detected by the temperature sensor 46 is lower than the set temperature, the power supply means 44 supplies power from the battery 17 as a power source to the thermoelectric conversion element 33. When the temperature of the stack cell 7 of the fuel cell stack 3 detected by the temperature sensor 46 is equal to or higher than the set temperature, the power storage unit 45 stores the power generated by the thermoelectric conversion element 33 in the battery 17 that is a secondary battery. .

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）。 Next, the operation will be described.
As shown in FIG. 4, when the vehicle fuel cell system 2 is activated and started (S01), the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 has the extreme temperature of the stack cell 7 detected by the temperature sensor 46. It is determined whether or not the temperature is low (for example, 0 ° C. or lower) (S02).
When this determination (S02) is YES, the electric power of the battery 17 is supplied to the thermoelectric conversion element 33 to be energized to generate heat, and the coolant flow of the auxiliary device cooling device 19 to the radiator plate 32 is stopped. The stack cell 7 is heated and warmed (S03).
When this determination (S02) is NO, hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack 3 to start (S04), and the stack cell 7 has a temperature lower than the set temperature (for example, 0 ° C. to 60 ° C.). ) Is determined (S05).
If this determination (S05) is YES, a part of the power generated by the fuel cell stack 3 is supplied to the thermoelectric conversion element 33 to generate heat, and the cooling water circulation of the auxiliary device cooling device 19 to the heat radiating plate 32 is performed. Is stopped to heat and heat the stack cell 7 (S06).
When this determination (S05) is NO, it is determined whether or not the temperature of the stack cell 7 is an appropriate set temperature (for example, 60 ° C. to 80 ° C.) (S07).
If this determination (S07) is YES, the fuel cell stack 3 is operated so as to normally generate power, and if the temperature of each stack cell 7 varies, the temperature is determined by the heat generated from the thermoelectric conversion element 33 and the cooling due to heat absorption. (S08).
If this determination (S07) is NO, it is determined whether or not the temperature of the stack cell 7 is a high temperature (for example, 80 ° C. or higher) equal to or higher than a set temperature (S09).
When this determination (S09) is YES, in addition to the power generation of the fuel cell stack 3, power is generated by the temperature difference of the thermoelectric conversion element 33, the heat radiating plate 32 is cooled by cooling water, and the cooling water is radiated by the radiator 20. Then, the heat generated by the stack cell 7 is absorbed and cooled (S10). The electric power generated by the thermoelectric conversion element 28 is stored in the battery 17.
If this determination (S09) is NO and the vehicular fuel cell system 2 is stopped, the supply of hydrogen gas and air to the fuel cell stack 3 is cut off to stop the operation (S11). ), The system is stopped (S12).

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。 As described above, when the temperature of the fuel cell stack 3 is lower than the set temperature, the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 supplies power to the thermoelectric conversion element 33 to heat the stack cell 7. In addition, since the cooling water is not used for the temperature management control of the fuel cell stack 3, the fuel cell stack 3 can be started even in a weather condition that is below freezing point, and the operation of the fuel cell stack 3 is stabilized. Since it is possible to reach the set temperature at an early stage, a stable output can be obtained from the fuel cell stack 3 at an early stage.
Further, when the temperature of the fuel cell stack 3 is equal to or higher than the set temperature, the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 stores the electric power generated by the thermoelectric conversion element 33 in the battery 17 of the secondary battery. The heat absorbed by the thermoelectric conversion element 33 can be stored in the battery 17 after being converted into electric power. As a result, the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 can reduce useless release of thermal energy.
Furthermore, since the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 uses a solid material for the heat radiating plate 32 sandwiched between the two thermoelectric conversion elements 33, it is possible to ensure electrical insulation with the stack cell 7. it can.
Further, the vehicle 1 includes a vehicle driving motor 14, an auxiliary machine cooling device 19 that cools the vehicle driving motor 14, and the cooling plate 32 is cooled by the cooling water of the auxiliary machine cooling device 19. Therefore, it is not necessary to provide a dedicated fuel cell cooling device (see FIG. 6) only for cooling the thermal energy of the fuel cell stack 3 released from the heat radiating plate 32. Thus, the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 can omit one cooling system, reduce the weight of cooling water pumps, parts such as cooling water pumps, cooling water passages, and the like, Eliminates the need for cooling water pumps and fan motors that consume a large amount of power, reduces the installation space for parts such as cooling water pumps and cooling water passages, and eliminates vibration sources and noise sources such as cooling water pump parts it can.

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。 FIG. 5 shows a modification. The vehicle 1 includes an air conditioner 48 that heats and cools the passenger compartment. The air conditioner 48 includes a refrigerant compressor 49 that compresses the refrigerant, an expander 50 that decompresses the compressed refrigerant, an evaporator 51 that cools the air in the vehicle interior by the refrigerant, and a fan motor 53 that drives an evaporator fan 52 that blows air to the evaporator 51. In addition, a cooling device including a refrigerant circuit 54 that circulates the refrigerant is provided between the refrigerant compressor 49, the expander 50, and the evaporator 51, and a heating device that raises the temperature of the air in the vehicle interior using a heating element.
Since the heat of the cooling water of the auxiliary device cooling device 19 of the vehicle fuel cell system 2 is released from the radiator 20 to the atmosphere, the cooling water temperature does not fall below the outside air temperature. When the outside air temperature is high, such as in summer, and the air conditioner 48 is used, the heat radiating plate 32 can be lowered to the temperature of the refrigerant (0 ° C.) by cooling the heat radiating plate 32 with the refrigerant.
The temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 connects a refrigerant compressor 49 and a fan motor 53 to the control means 25 by signal lines 55 and 56, and circulates the refrigerant circuit 54 of the air conditioner 48 through the heat radiating plate 32. I am letting. The heat radiating plate 32 is cooled by the refrigerant in the refrigerant circuit 54.
Thus, since the temperature control device 31 of the vehicle fuel cell system 2 cools the heat radiating plate 32 with the refrigerant of the air conditioner 48, the temperature control device 31 cools the thermal energy of the fuel cell stack 3 released from the heat radiating plate 32. There is no need to provide a dedicated cooling device. The thermoelectric conversion element 33 sandwiching the heat radiating plate 32 increases the voltage to be converted as the temperature difference increases. Therefore, by cooling the heat radiating plate 32 with a refrigerant, the thermoelectric conversion power per one thermoelectric conversion element 33 is increased. can do.

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。   The temperature control device for a vehicle fuel cell system according to the present invention makes it possible to start the fuel cell stack even in a weather condition where the temperature is below freezing point, so that a stable output can be obtained from the fuel cell stack at an early stage. Therefore, the present invention can be applied to industrial equipment using a fuel cell system as an energy source.

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。It is a schematic block diagram of the temperature control apparatus of the fuel cell system for vehicles which shows the Example of this invention. 燃料電池スタックの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell stack. 熱電変換素子の説明図である。It is explanatory drawing of a thermoelectric conversion element. 温度制御のフローチャートである。It is a flowchart of temperature control. 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。It is a schematic block diagram of the temperature control apparatus of the fuel cell system for vehicles which shows the modification of this invention. 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。It is a schematic block diagram of the fuel cell system for vehicles which shows a prior art example. 燃料電池スタックの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vehicle 2 Fuel cell system for vehicles 3 Fuel cell stack 4 Anode 5 Cathode 6 Electrolyte membrane 7 Stack cell 14 Vehicle drive motor 15 Wheel 17 Battery 18 System auxiliary machine 19 Auxiliary machine cooling device 31 Temperature control device 32 Heat sink 33 Thermoelectric Conversion element 44 Power supply means 45 Power storage means 46 Temperature sensor

Claims (4)

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。   In the temperature control device for a vehicle fuel cell system equipped with a fuel cell stack including a stack cell configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode and a cathode as an energy source for driving a vehicle, the fuel cell Two thermoelectric conversion elements sandwiching one heat sink between two stack cells of the stack, a power supply for supplying electric power to the thermoelectric conversion elements, and the temperature of the fuel cell stack is less than a set temperature In this case, the temperature control apparatus for a fuel cell system for a vehicle is provided with power supply means for supplying power to the thermoelectric conversion element. 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。   In the temperature control device for a vehicle fuel cell system equipped with a fuel cell stack including a stack cell configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode and a cathode as an energy source for driving a vehicle, the fuel cell Two thermoelectric conversion elements sandwiching one heat sink between two stack cells of the stack, a power supply for supplying power to the thermoelectric conversion elements, and the temperature of the fuel cell stack is equal to or higher than a set temperature In this case, the temperature control device for a fuel cell system for a vehicle is provided with power storage means for storing power generated by the thermoelectric conversion element in a secondary battery. 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。   3. The vehicle fuel cell system according to claim 1, wherein the vehicle includes an air conditioner that cools and heats the interior of the vehicle, and the radiator plate is cooled by the air conditioner refrigerant. 4. Temperature control device. 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。   3. The vehicle according to claim 1, wherein the vehicle includes a motor for driving the vehicle, a cooling device for cooling the motor for driving the vehicle, and the cooling plate is cooled by the cooling device. The temperature control device for a fuel cell system for a vehicle according to the item.
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