JP2005294118A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池本体を加熱する電気ヒータ等を設けることなく、また加熱用のエネルギーを使用することなく燃料電池を暖機する。
【解決手段】 加熱装置１３には、補機の一つであるコンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０の電力制御手段であるコンプレッサモータ用インバータ６１と、このコンプレッサモータ用インバータ６１により加熱される空気加熱管８３及び水素加熱管８８が配置されている。三方弁８１，８２，８６，８７は、空気及び水素の供給経路を切り換えて一方が加熱装置１３により加熱されて加湿装置７に供給させるように制御する。コンプレッサモータ用インバータ６１は、ワイドギャップ半導体の一種である炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ素子６４を電力制御用のスイッチング素子として使用し、ＳｉＣ素子６４の発熱により空気または水素を加熱する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に関する。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

ところで、固体高分子型燃料電池の運転最適温度は、例えば７０〜８０〔℃〕とされているが、低温状態から燃料電池システムを起動する場合、燃料電池システムの温度が適正な温度まで上昇していなければ、発電効率が低下するとともに、水分が凝結して反応ガス通路を閉塞し、運転停止に至ることがある。

また固体高分子電解質には、十分に含水しないと水素イオン伝導性を発揮しないものがあり、このため燃料電池内部には水分が存在する。この水分は、周囲温度が零下に低下する凍結し、燃料電池システムを起動するためには、凍結した水分を解凍する必要がある。

図８は、従来例１の燃料電池システムの構成を示す要部構成図である。図８において、この燃料電池システムは、空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１と、コンプレッサが圧縮した空気を冷却する冷却装置６３と、空気加湿器７ｂと、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、高圧水素タンク３の水素ガス圧力を運転圧力まで減圧する水素調圧弁５と、新規に供給される水素と水素循環配管９０を介した水素極オフガスとを混合するエゼクタ９１と、エゼクタ９１が混合した水素ガスを加湿する水素加湿装置７ａと、燃料電池本体２とを備えている。

外気はコンプレッサ１１で圧縮されて、冷却装置６３で冷却され、空気供給配管１２を介して加湿装置７の空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂで加湿され温度調節された空気は、燃料電池本体２の空気極に供給される。

コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０は、コンプレッサモータ用インバータ９７が給電線６７を介して供給する交流電流により所望の回転速度で駆動される。

通常の運転状態では、コンプレッサ１１が圧縮して吐出する空気の温度は、２００〔℃〕程度まで上昇する。このため、冷却装置６３で空気温度を低下させてから加湿装置７へ空気を供給している。

一方、高圧水素タンク３の水素ガスは、水素調圧弁５で燃料電池の運転圧力まで減圧され、水素供給配管６を介してエゼクタ９１へ供給される。流体ポンプであるエゼクタ９１は、水素供給配管６から供給された新規水素ガス流を駆動源として、この新規水素ガスと燃料電池本体２から排出された水素極オフガスとを混合して、加湿装置７の水素加湿装置７ａに供給する。水素加湿装置７ａは、水素ガスを加湿するとともに温度調節して燃料電池本体２の水素極へ供給する。

この燃料電池システムを低温状態から起動する場合、外部から吸入された空気はコンプレッサ１１で圧縮されて温度が上がるが、温度が上昇していない冷却装置６３へ送り込まれて更に熱が奪われ、目標温度（発電に最適な温度範囲）よりも温度が低下する。冷却装置６３を通過した空気は、同様に温度上昇していない加湿装置７で更に熱を奪われながら通過し、燃料電池本体２の空気入口へ送られる。このため起動後暫くの間は、燃料電池本体２に供給された空気の温度は、発電に最適な温度より低く、発電できない可能性がある。また、発電ができたとしても発電効率が低く、この状態が燃料電池システムの温度が適正な温度になるまで継続する。

また外気と同程度の温度の高圧水素タンク３から供給された水素は、水素調圧弁５により燃料電池の運転条件まで減圧される。このとき減圧膨張により水素温度はさらに低下した状態で燃料電池本体２の水素入口へ供給される。この水素の温度は、発電に最適な温度より低く発電できない可能性がある。また、発電できたとしても発電効率が低く、この状態が燃料電池システムの温度が適正な温度になるまで継続する。

図９は、従来例２の燃料電池システムにおける水素供給系の構成を示す構成図である。図９において、図外の水素タンクから供給された水素は、水素調圧弁５で燃料電池の運転圧力まで減圧される。減圧された水素は、水素加湿装置１０１により加湿され、燃料電池本体２の水素極へ供給される。燃料電池本体２の水素極から排出された水素極オフガスは、水素循環配管９０を通って、加湿用水タンク２１に入り、過剰な水分が分離される。過剰な水分が分離された水素極オフガスは、水素循環ポンプ９２により加湿用水タンクから吸い出され、調圧弁９３を経て、水素加湿装置１０１へ戻される。

水素循環ポンプ９２を駆動するポンプモータ９２ａは、水素循環ポンプ用インバータ９４から給電線６７を介して回転速度に応じた周波数の交流で駆動される。

加湿用水タンク２１で水素極オフガスから分離された水分は、加湿用水ポンプ２２により加圧され、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２へ供給される。インジェクタ６２は、水素加湿装置１０１に加湿用水を噴射して、水素を加湿する。

この燃料電池システムを低温状態から起動する場合、外気温と同程度の温度である図外の水素タンクから水素調圧弁５を通して供給される水素は、断熱膨張によりさらに温度が下がる。この状態で水素を水素加湿装置１０１へ送り込んでも温度が低いため、目標の加湿量及び温度に到達しない。従って、このままでは燃料電池本体２での最適な発電温度範囲より温度が低く発電できない可能性がある。また、発電ができたとしても発電効率が悪く、この状態が燃料電池システム温度が発電に最適な温度に上昇するまで継続する。

このため、燃料電池システムの起動時に、燃料電池温度を運転に適切な温度まで上昇させる暖機が行われている。このような暖機方法としては、燃料電池本体のガス拡散層（ＧＤＬ）へヒータを埋め込み、低温起動時にヒータを作動させて暖機する技術が知られている（特許文献１）。

また、燃料電池セルの発電面の一部を局所的に加熱する加熱手段を設け、この加熱手段により加熱されたセルで発電した反応熱で燃料電池を暖機する技術が知られている（特許文献２）。
特開２００３−１６３０２０号公報（第３頁、図１） 特開２００２−３１３３９１号公報（第４頁、図２）

しかしながら、上記従来のヒータを用いた暖機方法では、加熱ヒータを設置するためにスペースを要すると共に、燃料電池システムの起動用の消費電力が増加するので、起動用電力を供給する大容量の蓄電装置が必要であるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するため、水素を燃料とする燃料電池と、前記水素を貯蔵する高圧水素容器と、前記燃料電池に空気を送り込むコンプレッサと、燃料電池運転用に供する各種補機とを備えた燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサを含む少なくともいずれかの補機を駆動する電力制御手段または燃料電池の負荷装置を制御する電力制御手段の発熱に基づいて前記供給水素と前記供給空気の少なくともいずれか一方を暖める加熱装置を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池を加熱するための電気ヒータ等を設けることなく、燃料電池システムの暖機を行うことができ、燃料電池システムの構造が簡単になるとともに、暖機用の消費電力を削減することができるという効果がある。

また移動用の燃料電池システムの場合、燃料電池システムの起動用電力を供給する蓄電装置の容量が少なくてすむという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の各実施例では、本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両について説明するが、本発明に係る燃料電池システムの用途は、燃料電池車両に限らず、家庭用または小規模事業所用のコジェネレーションシステム等限定されるものではない。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を燃料電池車両へ搭載した構成例を説明するシステム構成図である。

図１において、燃料電池システム１は、水素極２ａ及び空気極２ｂを有する燃料電池本体２と、燃料としての水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、高圧水素タンク３から水素を供給する水素供給弁４と、水素圧力を運転圧力に調整する水素調圧弁５と、水素供給配管６と、水素加湿装置７ａ及び空気加湿装置７ｂを有する加湿装置７と、水素排出配管８と、酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ１１と、空気供給配管１２と、
水素供給配管６及び空気供給配管１２の途中に設けられた加熱装置１３と、空気排出配管１４と、二次電池３４と、燃料電池の補機３５と、駆動モータインバータ３２と、車両を駆動する駆動モータ３３と、駆動輪４１を備えている。

また、加湿装置７に含まれる図示しない冷却装置を冷却するために、冷却水ポンプ１６と、ラジエータ１７と、ラジエータファン１８と、冷却水配管１９とを備え、ラジエータで系外へ放熱して温度低下した冷却液を加湿装置７へ供給可能となっている。

燃料電池本体２は、例えば固体高分子電解質を備え、水素を燃料、空気を酸化剤として発電する燃料電池である。水素は、高圧水素タンク３から水素供給弁４、水素調圧弁５、水素供給配管６を通って、水素加湿装置７ａで発電に最適な温度及び湿度に調整して、燃料電池本体２の水素極２ａへ供給される。空気はコンプレッサ１１で圧縮され、空気供給配管１２を通って空気加湿装置７ｂで加湿及び温度調整されて燃料電池本体２の空気極２ｂへ供給される。

発電に使用された空気は、空気排出配管１４から外部へ排出される。加湿装置７は、水素を加湿及び温度調整する水素加湿装置７ａと、空気を加湿及び温度調整する空気加湿装置７ｂを備えている。

加熱装置１３は、水素を加熱する水素加熱装置１３ａと空気を加熱する空気加熱装置１３ｂとの何れか一方、または双方、或いは空気と水素とを切り換えて加熱する一つの加熱装置を備えることができる。

燃料電池本体２で発電された電力は、補機３５あるいは駆動モータインバータ３２に供給され、車両駆動用の駆動モータ３３や補機類を駆動しながら、余剰電力は二次電池３４へ供給され蓄電される。また、車両の減速により生じる回生電力は、駆動モータインバータ３２から補機３５あるいは二次電池３４へ供給、蓄電される。

燃料電池システムに対する発電要求に対して、燃料電池本体２の発電力が足りない場合には、二次電池３４に蓄電している電力から不足分をアシスト電源として、補機３５あるいは駆動モータインバータ３２へ供給する。

燃料電池の補機３５には、コンプレッサ１１，冷却水ポンプ１６，ラジエータファン１８、さらには図示しない水素循環ポンプ、燃料電池本体２を冷却する冷却水ポンプ及びラジエタファン等が含まれる。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の要部を説明する構成図であり、加熱装置１３が切換により空気または水素を加熱できるように構成した実施例を示している。尚、図１に示したシステム構成図と同じ構成要素には、同じ符号を付与している。

図８に示した従来例１においては、低温からの起動時に燃料電池本体に供給される空気や水素の温度が低く、発電できない可能性や、また発電できたとしても発電効率が悪く、この状態が燃料電池システムの暖機完了まで継続するという問題点があった。この問題点を解決するために特許文献１または２に記載のように、燃料電池本体を加熱する電気ヒータを設けると、燃料電池本体の構造が複雑になるとともに、起動のための消費電力が増加するという問題点があった。本実施例は、この問題点を解決し、燃料電池本体の構造を複雑にすることなく、起動時の暖機のための消費電力を節約することができる燃料電池システムを提供するものである。

図２において、本実施例の燃料電池システムは、空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１と、コンプレッサが圧縮した空気を冷却する冷却装置６３と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、高圧水素タンク３の水素ガス圧力を運転圧力まで減圧する水素調圧弁５と、冷却装置６３を通過した空気または水素調圧弁５で減圧された水素を加熱する加熱装置１３と、空気加湿器７ｂと、新規に供給される水素と水素循環配管９０を介した水素極オフガスとを混合するエゼクタ９１と、エゼクタ９１が混合した水素ガスを加湿する水素加湿装置７ａと、燃料電池本体２とを備えている。

図８に示した従来例１に対して、図２に示す本実施例で追加されている要素は、空気又は水素を加熱する加熱装置１３、三方弁８１，８２，８６，８７、空気バイパス配管８４、及び水素バイパス配管８９である。

加熱装置１３には、補機の一つであるコンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０の電力制御手段であるコンプレッサモータ用インバータ６１と、このコンプレッサモータ用インバータ６１により加熱される空気加熱管８３及び水素加熱管８８が配置されている。コンプレッサモータ用インバータ６１は、コンプレッサモータ給電線６７を介して、コンプレッサモータ６０へ駆動用の交流電力を供給するようになっている。コンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサモータ用インバータ６１が発生する交流電流の周波数によって制御される。

コンプレッサモータ用インバータ６１には、ワイドギャップ半導体の一種である炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ素子６４を電力制御用のスイッチング素子として使用する。

電力制御用のスイッチング素子としては、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳ−ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、各種サイリスタ等が利用できる。

ワイドギャップ半導体材料は、ＳｉＣに限らず、ダイヤモンド構造の炭素、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ等のII−VI族化合物、或いはＧａＰ，ＧａＮ，ＢＰ，ＢＮ等のIII-Ｖ族化合物の何れかを用いてスイッチング素子を形成してもよい。これらのワイドギャプ半導体は、シリコン（Ｓｉ）半導体素子に比べてバンドギャップ（禁制帯幅）が広く、高温まで動作可能であるので、この熱を利用して加熱装置の熱源として利用する場合、放熱器を小型化若しくは省略することができ、移動体用の電力制御用として好適である。

そして、このコンプレッサモータ用インバータ６１のスイッチング素子であるＳｉＣ素子６４が空気加熱管８３及び水素加熱管８８に接して配置され、ＳｉＣ素子６４の発熱がこれらに伝えられることにより、空気または水素を加熱できるようになっている。

三方弁８１，８２は、冷却装置６３と空気加湿装置７ｂとの間の空気経路を空気加熱管８３か、或いは空気バイパス配管８４かを切り換える弁である。同様に、三方弁８６，８７は、水素調圧弁５と水素加湿装置７ａとの間の水素経路を水素加熱管８８か、或いは水素バイパス配管８９かを切り換える弁である。

加熱装置１３により空気を加熱する場合には、空気経路の三方弁８１，８２をそれぞれ加熱装置１３の空気加熱管８３側へ切り換えるとともに、水素経路の三方弁８６，８７をそれぞれ水素バイパス配管８９側へ切り換える。

これとは逆に、加熱装置１３により水素を加熱する場合には、空気経路の三方弁８１，８２をそれぞれ空気バイパス配管８４側へ切り換えるとともに、水素経路の三方弁８６，８７をそれぞれ加熱装置１３の水素加熱管８８側へ切り換える。

図２において、外気はコンプレッサ１１で圧縮されて、冷却装置６３で冷却され、空気供給配管１２を介して加湿装置７の空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂで加湿され温度調節された空気は、燃料電池本体２の空気極に供給される。

コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０は、コンプレッサモータ用インバータ９７が給電線６７を介して供給する交流電流により所望の回転速度で駆動される。

通常の運転状態では、コンプレッサ１１が圧縮して吐出する空気の温度は、２００〔℃〕程度まで上昇する。このため、冷却装置６３で空気温度を低下させてから加湿装置７へ空気を供給している。

一方、高圧水素タンク３の水素ガスは、水素調圧弁５で燃料電池の運転圧力まで減圧され、水素供給配管６を介してエゼクタ９１へ供給される。流体ポンプであるエゼクタ９１は、水素供給配管６から供給された新規水素ガス流を駆動源として、この新規水素ガスと燃料電池本体２から排出された水素極オフガスとを混合して、加湿装置７の水素加湿装置７ａに供給する。水素加湿装置７ａは、水素ガスを加湿するとともに温度調節して燃料電池本体２の水素極へ供給する。

図２において、燃料電池システムの暖機時には、コンプレッサ１１を駆動して空気を供給するとともに、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４の発熱を促進するために、積極的に駆動負荷を上げる。このＳｉＣ素子６４の熱を空気加熱管８３及び水素加熱管８８へ伝熱させることで、空気及び水素の燃料電池入口温度を発電に最適な温度範囲へ比較的短時間で到達することができる。燃料電池入口温度を発電に最適な温度範囲へ到達することにより、この燃料電池システム全体の暖機時間が短縮される。

また、図２の燃料電池システムにおいて、空気中の酸素と燃料である水素を燃料電池内部で最適に化学反応、発電させるには空気と水素の温度が近いほうが良い。このため燃料電池本体２の入口で同じ温度へ近づけるように調整する必要があり、水素加湿装置７ａ及び空気加湿装置７ｂの入口で水素と空気との間に温度差が生じていたとしても、加湿装置で温度に調整することができる。しかし加湿装置には、装置固有の温度調整範囲の限界があるため、加湿装置入口で水素温度Ｔ２と空気温度Ｔ４の温度差が小さくなる様に調整する必要がある。

このため，空気供給系の冷却装置６３と空気加湿装置７ｂとの間に空気バイパス配管８４，三方弁８１，８２、また水素供給系の水素調圧弁５と水素加湿装置７ａとの間に水素バイパス配管８９，三方弁８７を設定している。そして、加熱の必要性によって三方弁８１，８２，８６，８７を切替え、加湿装置入口までの空気と水素との温度差を小さく制御する。これにより、更に暖機運転時間の短縮及び定常を安定かつ、最適に運転することができる。

また、外気温度が特に低く、所定温度（例えば、０〔℃〕）以下の場合に、コンプレッサモータ用インバータ６１を通常運転時より効率を低下させた低効率動作点で運転させることにより、ＳｉＣ素子６４を積極的に発熱させ、より多くの熱量を加熱装置１３から供給空気または供給水素に与えて、暖機時間を短縮することができる。この低効率動作点を設定する方法としては、ＳｉＣ素子６４を駆動する信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を遅くして、スイッチング時の電力消費を増大させる方法がある。

尚、燃料電池温度が所定温度（例えば、８０〔℃〕）を超えて暖機が完了した場合、コンプレッサ用インバータ６１の運転を低効率動作点から通常運転時の動作点の間で連続的に或いは段階的に変化させることにより、ＳｉＣ素子６４の単位時間あたりの発熱量を変化させて空気あるいは水素の温度を最適に調整することができる。

実施例１は、燃料電池に空気を供給するコンプレッサを駆動するコンプレッサモータ用インバータの発熱を利用して空気または水素を加熱する構成を説明したが、実施例２では水素循環ポンプ用インバータの発熱を利用して、水素を加湿する場合を説明する。

図３は、本実施例の燃料電池システムの要部構成を説明する構成図である。図３において、図外の水素タンクから供給された水素は、水素調圧弁５で燃料電池の運転圧力まで減圧される。減圧された水素は、水素加湿装置１０１により加湿され、燃料電池本体２の水素極へ供給される。燃料電池本体２の水素極から排出された水素極オフガスは、水素循環配管９０を通って、加湿用水タンク２１に入り、過剰な水分が分離される。過剰な水分が分離された水素極オフガスは、水素循環ポンプ９２により加湿用水タンクから吸い出され、調圧弁９３を経て、水素加湿装置１０１へ戻される。

水素循環ポンプ９２を駆動するポンプモータ９２ａは、水素循環ポンプ用インバータ９４から給電線６７を介して回転速度に応じた周波数の交流で駆動される。

加湿用水タンク２１で水素極オフガスから分離された水分は、加湿用水ポンプ２２により加圧され、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２へ供給される。インジェクタ６２は、水素加湿装置１０１に加湿用水を噴射して、水素を加湿する。

図３の本実施例と、図９に示した従来例２との相違は、本実施例では水素循環ポンプ用インバータ９４が水素加湿装置７ａに配置され、水素循環ポンプ用インバータ９４のスイッチング素子であるＳｉＣ素子６４が水素加湿装置７ｂ内部で水素またはインジェクタ６２から噴射された水を加熱するようになっている点である。本実施例によれば、水素加湿装置７ａに電気ヒータ等のエネルギを消費する加熱手段を設けることなく、補機の電力制御手段からの発熱を利用して水素を加湿することができる。同様に補機の電力制御手段の発熱を空気加湿装置にも適用することができることは明らかである。

また、本実施例において、水素循環ポンプ用インバータの発熱を利用して燃料電池本体２の暖機を行うこともできる。低温時の燃料電池システム起動において、図９に示した従来例２では、外気温と同程度の温度である図外の水素タンクから水素調圧弁５を通して供給される水素は、断熱膨張によりさらに温度が下がる。この状態で水素を水素加湿装置１０１へ送り込んでも温度が低いため、目標の加湿量及び温度に到達しない。従って、このままでは燃料電池本体２での最適な発電温度範囲より温度が低く発電できない可能性がある。また、発電ができたとしても発電効率が悪く、この状態が燃料電池システム温度が発電に最適な温度に上昇するまで継続するという問題点があった。

本実施例では、この問題点を解決すべく、燃料電池本体２から排出された水素極オフガスを加湿装置へ戻すための水素循環ポンプを備えた燃料電池システムにおいて、水素循環ポンプ用インバータ９４を水素加湿装置７ａに設置し、水素循環ポンプ９２を駆動して水素を水素加湿装置７ａと燃料電池本体２との間に循環させるとともに、水素循環ポンプ用インバータ９４の発熱を利用して水素加湿装置７ａで水素を加熱することにより、燃料電池システムの暖機を促進するものである。

また、ＳｉＣ素子６４の発熱量を増加させるために、水素循環ポンプ９２の負荷を積極的に増加させることにより、更に水素加湿装置７ａ内部の水素温度を上げることができ、水素の燃料電池入口温度を発電に最適な温度範囲へ到達することにより、この燃料電池システム全体の暖機時間が短縮される。

また、この水素加湿装置７ａに加湿用水を供給する加湿用水配管２３にＳｉＣ素子６４に近づけてレイアウトすることにより、加湿用水がＳｉＣ素子６４の熱を受けて温度を上げることができる。そして、この温度上昇した加湿用水をインジェクタ６２で水素加湿装置７ａ内部へ噴射することにより、水素温度を更に上げることができ、この燃料電池システム全体の暖機時間が短縮され、かつ、安定した定常運転を行うことができる。

図４は、実施例３の燃料電池システムにおける要部構成図であり、燃料電池の空気供給系を示している。図４において、実施例３の空気供給系は、コンプレッサモータ６０で駆動され空気を圧縮するコンプレッサ１１と、空気供給配管１２と、空気供給配管１２を加熱する空気加熱装置１３ｂと、冷却装置６３と、空気加湿装置７ｂと、を備えている。

空気加熱装置１３ｂは、発熱源としてコンプレッサモータ６０に駆動用電力を供給するコンプレッサモータ用インバータ６１を備え、コンプレッサモータ用インバータ６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して、コンプレッサモータ６０へ駆動用の交流電力を供給するようになっている。コンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサモータ用インバータ６１が発生する交流電流の周波数によって制御される。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、空気供給配管１２に直接、あるいは図示しない適当な熱交換用フィン等を備えた熱交換部材を介して間接的に接するように配置され、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４で発生した熱が空気供給配管１２の内部を通過する空気に伝えられるようになっている。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、ワイドギャップ半導体の一種である炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ素子６４を電力制御用のスイッチング素子として使用する。

電力制御用のスイッチング素子としては、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳ−ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、各種サイリスタ等が利用できる。

ワイドギャップ半導体材料は、ＳｉＣに限らず、ダイヤモンド構造の炭素、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ等のII−VI族化合物、或いはＧａＰ，ＧａＮ，ＢＰ，ＢＮ等のIII-Ｖ族化合物の何れかを用いてスイッチング素子を形成してもよい。これらのワイドギャプ半導体は、シリコン（Ｓｉ）半導体素子に比べてバンドギャップ（禁制帯幅）が広く、高温まで動作可能であるので、この熱を利用して加熱装置の熱源として利用する場合、放熱器を小型化若しくは省略することができ、移動体用の電力制御用として好適である。

燃料電池本体２の起動開始より十分時間が経過した定常状態においては、空気の圧縮熱によりコンプレッサ１１自体も暖められ、コンプレッサ１１から吐出される空気の温度は２００〔℃〕程度になる。しかし燃料電池本体２に供給する空気の温度は８０〔℃〕程度が好ましいため、冷却装置６３によってこの温度付近まで空気の温度は調整される。この温度調整された空気は、空気加湿装置７ｂにより加湿され燃料電池本体２に供給される。

次に、この燃料電池システムの起動直後の状態について説明する。外気温度が低い場合に燃料電池システムを起動すると、コンプレッサ１１により圧縮された空気の温度が上昇しようとするが、温度上昇分の殆どは、同じく温度が低く熱容量の大きなコンプレッサ自体の温度上昇に費やされ、コンプレッサ１１が吐出する空気の温度が上がるには、時間がかかる。

一方、燃料電池の起動開始と同時にコンプレッサ１１を動作させて燃料電池に空気を供給するため、コンプレッサモータ６０に電力を供給するコンプレッサモータ用インバータ６１も起動と同時に動作する。このため起動と同時に、コンプレッサモータ用インバータ６１のスイッチング素子であるＳｉＣ６４素子は発熱を開始し、急速に温度が上昇する。このＳｉＣ素子６４の熱により空気加熱装置１３ｂが空気を加熱し、冷却装置６３を介して空気加湿装置７ｂへ空気を送り込む。

また、外気温度が特に低く、所定温度（例えば、０〔℃〕）以下の場合に、コンプレッサモータ用インバータ６１を通常運転時より効率を低下させた低効率動作点で運転させることにより、ＳｉＣ素子６４を積極的に発熱させ、より多くの熱量を空気加熱装置１３ｂから供給空気に与えて、暖機時間を短縮することができる。この低効率動作点を設定する方法としては、ＳｉＣ素子６４を駆動する信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を遅くして、スイッチング時の電力消費を増大させる方法がある。

尚、燃料電池温度が所定温度（例えば、８０〔℃〕）を超えて暖機が完了した場合、コンプレッサ用インバータ６１の運転を低効率動作点から通常運転時の動作点の間で連続的に或いは段階的に変化させることにより、ＳｉＣ素子６４の単位時間あたりの発熱量を変化させて空気あるいは水素の温度を最適に調整することができる。

燃料電池本体２の運転時には常にコンプレッサ１１は動作されているため、コンプレッサモータ用インバータ６１のスイッチング素子として用いているＳｉＣ素子６４の発熱は常時得ることができる。このＳｉＣ素子６４の発熱を供給空気の加熱に用いることにより電気ヒータ等の加熱装置を別途設けることなく、空気の加熱を行い暖機時間の短縮を図ることができる。

本実施例では、コンプレッサモータ用インバータのスイッチング素子として、ＳｉＣを用いているが従来のスイッチング素子に用いられているＳｉ半導体はジャンクション温度の上限が約１５０〔℃〕程度である。コンプレッサの圧縮熱により、空気は２００℃程度まで上昇するが、ＳｉＣはジャンクション温度が約３００〔℃〕程度まで使用可能であるという特徴を有しているため、Ｓｉ素子より高温動作させることが可能であり、加熱装置の熱源として使用した場合、空気を加熱する熱効率を向上させることができる。

図５は、実施例４の燃料電池システムにおける要部構成図であり、燃料電池の空気供給系を示している。図５において、実施例４の空気供給系は、コンプレッサモータ６０で駆動され空気を圧縮するコンプレッサ１１と、空気供給配管１２と、空気供給配管１２を加熱する空気加熱装置１３ｂと、冷却装置６３と、空気加湿装置７ｂと、コンプレッサモータ用インバータ６１の熱を冷却する冷媒を循環させる冷媒ポンプ７２と、この冷媒の熱を系外へ放出するラジエータ等の放熱装置７１と、冷媒配管７３とを備えている。

本実施例と図４に示した実施例３との相違は、本実施例において、暖機終了後にコンプレッサモータ用インバータの発熱を系外に放出するための冷却手段として、放熱装置７１と、冷媒ポンプ７２と、放熱装置７１、コンプレッサモータ用インバータ６１、冷媒ポンプ７２の相互を連結する冷媒配管７３とが設けられていることである。その他の構成は、図４に示した実施例３と同様であるので同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例によれば、コンプレッサモータ用インバータ６１に冷却手段を設け、暖機が完了して供給空気の加熱が不要となった場合、冷却手段によりスイッチング素子としてのＳｉＣ素子６４の冷却を行う場合にも、放熱装置７１及び冷媒ポンプ７２の容量が小さくても十分にＳｉＣ素子６４の冷却を行うことが可能である。

図６は、本発明に係る燃料電池システムの実施例５の要部構成を説明する構成図である。図４に示した実施例３のような構成では、燃料電池本体２の起動から時間が経過し、燃料電池本体２自体が温まると、コンプレッサから発生する空気の圧縮熱と電力制御手段のインバータのＳｉＣ素子による空気加熱を冷却する必要があるため、冷却装置６３の冷却能力の増加が必要である。

本実施例は、補機を駆動する電力制御手段の発熱を利用して燃料電池に供給する空気を加熱する加熱装置により燃料電池を暖機するとともに、暖機完了後は、この加熱装置をバイパスした空気を燃料電池に供給することにより、冷却装置の冷却能力増加を不要としたことに特徴がある。

図６において、実施例６の燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサモータ６０で駆動され空気を圧縮するコンプレッサ１１と、コンプレッサ１１で圧縮された空気を加熱する空気加熱装置１３ｂと、三方弁８１，８２と、空気加熱装置１３ｂをバイパスする空気バイパス配管８４と、空気を冷却する冷却装置６３と、空気を加湿する空気加湿装置７ｂと、燃料電池本体２と、を備えている。

三方弁８１，８２は、コンプレッサ１１と冷却装置６３との間の空気経路を空気加熱装置１３ｂを経由するか空気バイパス配管８４を経由するかを切り換えるために配置されている。

空気加熱装置１３ｂは、発熱源としてコンプレッサモータ６０に駆動用電力を供給するコンプレッサモータ用インバータ６１を備え、コンプレッサモータ用インバータ６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して、コンプレッサモータ６０へ駆動用の交流電力を供給するようになっている。コンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサモータ用インバータ６１が発生する交流電流の周波数によって制御される。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、空気加熱装置１３ｂの内部に配置された空気加熱管８３を直接、あるいは図示しない適当な熱交換用フィン等を備えた熱交換部材を介して間接的に接するように配置され、コンプレッサモータ用インバータ６１で発生した熱が空気供給配管１２の内部を通過する空気に伝えられるようになっている。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、ワイドギャップ半導体の一種である炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣ素子６４を電力制御用のスイッチング素子として使用する。

電力制御用のスイッチング素子としては、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳ−ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、各種サイリスタ等が利用できる。

ワイドギャップ半導体材料は、ＳｉＣに限らず、ダイヤモンド構造の炭素、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ等のII−VI族化合物、或いはＧａＰ，ＧａＮ，ＢＰ，ＢＮ等のIII-Ｖ族化合物の何れかを用いてスイッチング素子を形成してもよい。これらのワイドギャプ半導体は、シリコン（Ｓｉ）半導体素子に比べてバンドギャップ（禁制帯幅）が広く、高温まで動作可能であるので、この熱を利用して加熱装置の熱源として利用する場合、放熱器を小型化若しくは省略することができ、移動体用の電力制御用として好適である。

低温時から燃料電池システムを起動する場合、三方弁８１，８２を空気加熱管８３側へ切り換える。この状態でコンプレッサ１１を駆動すると、圧縮空気は空気加熱装置１３ｂの内部を通過する空気加熱管８３により、コンプレッサモータ用インバータ６１のスイッチング素子であるＳｉＣ素子６４の熱を受けて加熱される。こうして加熱された空気が燃料電池に供給されるので、燃料電池本体２の暖機が促進される。

燃料電池本体２自体の温度が上昇し暖機が終了した際は、上記に記述のようにＳｉＣ素子６４は、３００〔℃〕までは冷却することなく動作させることが可能であるため、三方弁８１，８２を空気バイパス配管８４側へ切り替えることにより、空気加熱装置１３ｂをバイパスした空気を冷却装置６３に供給することができる。このため暖機終了後は、空気加熱装置１３ｂにより供給空気を加熱することなく冷却装置６３に供給することができ、冷却装置６３の冷却能力の増加は不要となる。

図７は、本発明に係る燃料電池システムの実施例６の要部構成を説明する構成図である。本実施例は、補機の電力制御手段としてのインバータに使用するスイッチング素子をワイドギャップ半導体材料ではなく、一般的に普及し入手容易で安価なＳｉ素子を使用する場合を説明する。

図７において、実施例６の燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサモータ６０で駆動され空気を圧縮するコンプレッサ１１と、コンプレッサ１１で圧縮された空気を冷却する冷却装置６３と、冷却装置６３で冷却された空気を加湿する空気加湿装置７ｂと、三方弁８１，８２と、空気加熱装置１３ｂと、空気バイパス配管８４と、燃料電池本体２と、を備えている。

三方弁８１，８２は、空気加湿装置７ｂと燃料電池本体２の空気極との間の空気経路を空気加熱装置１３ｂを経由するか空気バイパス配管８４を経由するかを切り換えるために配置されている。

空気加熱装置１３ｂは、発熱源としてコンプレッサモータ６０に駆動用電力を供給するコンプレッサモータ用インバータ６１を備え、コンプレッサモータ用インバータ６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して、コンプレッサモータ６０へ駆動用の交流電力を供給するようになっている。コンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサモータ用インバータ６１が発生する交流電流の周波数によって制御される。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、空気加熱装置１３ｂの内部に配置された空気加熱管８３を直接、あるいは図示しない適当な熱交換用フィン等を備えた熱交換部材を介して間接的に接するように配置され、コンプレッサモータ用インバータ６１で発生した熱が空気供給配管１２の内部を通過する空気に伝えられるようになっている。

コンプレッサモータ用インバータ６１は、半導体材料として珪素（Ｓｉ）を用いたＳｉ素子８５を電力制御用のスイッチング素子として使用している。スイッチング素子としてＳｉ素子８５を用いた場合には、ジャンクション温度の上限が約１５０〔℃〕であるので、暖機終了後にコンプレッサ１１の圧縮熱により圧縮された空気が２００〔℃〕程度になったとしても、あらかじめ冷却装置６３によって温度が燃料電池に供給するのに適した８０〔℃〕程度に調整されるため、他の実施例で説明したＳｉＣ素子の場合と同様に暖機時間の短縮という効果を得ることが可能である。

上記構成の本実施例によれば、燃料電池本体２に電気ヒータ等の熱源を別途に追加することなく、暖機時間の短縮が可能となる。

尚、以上説明した各実施例は、本発明の理解を容易にするために記載された物であって、本発明を限定する為に記載された物ではない。従って、上記の実施例に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属するすべての設計変更をも含む趣旨である。

例えば、上記各実施例では、補機としてのコンプレッサまたは水素循環ポンプの電力制御手段であるインバータのスイッチング素子からの発熱を加熱装置または加湿装置の熱源として利用したが、他の補機の電力制御手段や、燃料電池の負荷装置である駆動モータを制御する駆動モータインバータのスイッチング素子の発熱を利用してもよい。

また、補機または負荷装置が直流電力を利用する装置の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータやチョッパを電力制御手段として用いて、これらの電力制御手段の発熱を熱源として利用することができる。

本発明に係る燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 実施例１の燃料電池システムの要部構成図である。 実施例２の燃料電池システムの要部構成図である。 実施例３の燃料電池システムの要部構成図である。 実施例４の燃料電池システムの要部構成図である。 実施例５の燃料電池システムの要部構成図である。 実施例６の燃料電池システムの要部構成図である。 従来例１の要部構成図である。 従来例２の要部構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池本体
３…高圧水素タンク
４…水素供給弁
５…水素調圧弁
６…水素供給配管
７…加湿装置
８…水素排出配管
１１…コンプレッサ
１２…空気供給配管
１３…加熱装置
１４…空気排出配管
１６…冷却水ポンプ
１７…ラジエータ
１８…ラジエータファン
１９…冷却水配管
３２…駆動モータインバータ
３３…駆動モータ
３４…二次電池
３５…補機
４１…駆動輪

Claims (11)

1. 水素を燃料とする燃料電池と、前記水素を貯蔵する水素貯蔵容器と、前記燃料電池に空気を送り込むコンプレッサと、燃料電池運転用に供する各種補機とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記コンプレッサを含む少なくともいずれかの補機を駆動する電力制御手段または燃料電池の負荷装置を制御する電力制御手段の発熱に基づいて前記供給水素と前記供給空気の少なくともいずれか一方を暖める加熱装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 外気温が所定温度より低い場合には、積極的に前記電力制御手段を発熱させて燃料電池の暖機時間を短くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池の温度が所定温度を超えて暖機が終了した場合、前記電力制御手段の単位時間あたりの発熱量を制御して、空気あるいは水素の温度を調整することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記加熱装置は、空気あるいは水素を選択的に加熱可能であり、
   暖機が終了し前記燃料電池システムが温まった場合において、空気あるいは水素の経路を前記加熱手段を通るように切り替えることにより空気あるいは水素の温度を優先的に調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記加熱装置をバイパスして空気または水素を加熱せずに燃料電池へ供給するバイパス配管を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池に送り込む空気及び水素の少なくとも一方を加湿する加湿装置を備え、
   前記電力制御手段の発熱を利用して前記加湿装置における加湿を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記電力制御手段は、補機または負荷装置へ交流を供給するＤＣ／ＡＣインバータであり、該ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子の発熱を前記熱源とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記電力制御手段は、補機または負荷装置へ供給する直流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータまたはチョッパであり、該ＤＣ／ＤＣコンバータまたは該チョッパのスイッチング素子の発熱を前記加熱装置の熱源とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
9. 前記スイッチング素子がワイドギャップ半導体材料を用いたワイドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド構造の炭素、II−VI族化合物、或いはIII-Ｖ族化合物の何れかであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
11. 請求項１ないし請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両であって、前記負荷装置が車両を駆動する駆動モータであることを特徴とする燃料電池車両。

Images