JP2005294118A - Fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents

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孝一 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To warm a fuel cell without installing an electric heater or the like heating a fuel cell main part or without using energy for heating. <P>SOLUTION: An inverter 61 for a compressor motor which is a power control means of a compressor motor 60 for driving a compressor 11 which is one of auxiliaries and an air heating pipe 83 and a hydrogen heating pipe 88 to be heated with the inverter 61 for the compressor motor are installed in a heating device 13. Three-way valves 81, 82, 86, 87 are controlled so that supply passages of air and hydrogen are changed over so as to heat one of them with the heating device 13 and supply to a humidifier 7. The inverter 61 for the compressor motor uses an SiC element 64 using silicon carbide (SiC) which is one of wide gap semiconductors as a switching element for the power control, and heats air or hydrogen by heat generation of the SiC element 64. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system.

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。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.

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。   By the way, the optimum operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is, for example, 70 to 80 [° C.]. However, when starting the fuel cell system from a low temperature state, the temperature of the fuel cell system rises to an appropriate temperature. If not, the power generation efficiency is lowered, and moisture condenses to block the reaction gas passage, leading to a shutdown.

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。   In addition, some solid polymer electrolytes do not exhibit hydrogen ion conductivity unless they are sufficiently hydrated. For this reason, moisture exists inside the fuel cell. This moisture freezes when the ambient temperature drops below zero, and it is necessary to thaw the frozen moisture in order to start the fuel cell system.

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。   FIG. 8 is a main part configuration diagram showing the configuration of the fuel cell system of Conventional Example 1. In FIG. In FIG. 8, this fuel cell system includes a compressor 11 that takes in and compresses air, a cooling device 63 that cools the air compressed by the compressor, an air humidifier 7b, and a high-pressure hydrogen tank 3 that stores hydrogen at high pressure. The hydrogen regulating valve 5 for reducing the hydrogen gas pressure in the high-pressure hydrogen tank 3 to the operating pressure, the ejector 91 for mixing newly supplied hydrogen and the hydrogen electrode off-gas through the hydrogen circulation pipe 90, and the ejector 91 are mixed. A hydrogen humidifier 7a for humidifying the hydrogen gas and the fuel cell main body 2 are provided.

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。   The outside air is compressed by the compressor 11, cooled by the cooling device 63, and supplied to the air humidifying device 7 b of the humidifying device 7 through the air supply pipe 12. The air that has been humidified and adjusted in temperature by the air humidifier 7 b is supplied to the air electrode of the fuel cell body 2.

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。   The compressor motor 60 that drives the compressor 11 is driven at a desired rotational speed by an alternating current supplied from the compressor motor inverter 97 via the power supply line 67.

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。   In a normal operation state, the temperature of the air compressed and discharged by the compressor 11 rises to about 200 [° C.]. For this reason, air is supplied to the humidifier 7 after the air temperature is lowered by the cooling device 63.

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。   On the other hand, the hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 is depressurized to the operating pressure of the fuel cell by the hydrogen pressure regulating valve 5 and supplied to the ejector 91 through the hydrogen supply pipe 6. The ejector 91, which is a fluid pump, uses the new hydrogen gas flow supplied from the hydrogen supply pipe 6 as a drive source, mixes the new hydrogen gas and the hydrogen electrode off-gas discharged from the fuel cell body 2, and the humidifier 7 To the hydrogen humidifier 7a. The hydrogen humidifier 7 a humidifies the hydrogen gas and adjusts the temperature to supply it to the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2.

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。   When this fuel cell system is started from a low temperature state, the air sucked from the outside is compressed by the compressor 11 and rises in temperature, but is sent to the cooling device 63 where the temperature has not risen, and further heat is taken away. The temperature falls below the temperature (temperature range optimal for power generation). Similarly, the air that has passed through the cooling device 63 passes through the humidifying device 7 whose temperature has not risen, while being further deprived of heat, and is sent to the air inlet of the fuel cell main body 2. For this reason, for a while after startup, the temperature of the air supplied to the fuel cell main body 2 is lower than the optimum temperature for power generation, and power generation may not be possible. Even if power generation is possible, the power generation efficiency is low, and this state continues until the temperature of the fuel cell system reaches an appropriate temperature.

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。   Further, the hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 having the same temperature as the outside air is decompressed to the operating condition of the fuel cell by the hydrogen pressure regulating valve 5. At this time, the hydrogen temperature is further lowered by the expansion under reduced pressure and supplied to the hydrogen inlet of the fuel cell main body 2. The temperature of this hydrogen may be lower than the optimum temperature for power generation, and power generation may not be possible. Further, even if power generation is possible, the power generation efficiency is low, and this state continues until the temperature of the fuel cell system reaches an appropriate temperature.

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。   FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a hydrogen supply system in the fuel cell system of Conventional Example 2. In FIG. 9, hydrogen supplied from a hydrogen tank (not shown) is reduced to the operating pressure of the fuel cell by the hydrogen pressure regulating valve 5. The decompressed hydrogen is humidified by the hydrogen humidifier 101 and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell body 2. The hydrogen electrode off-gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2 passes through the hydrogen circulation pipe 90 and enters the humidification water tank 21 to separate excess moisture. The hydrogen off-gas from which excess moisture has been separated is sucked out of the humidification water tank by the hydrogen circulation pump 92, and returned to the hydrogen humidifier 101 through the pressure regulating valve 93.

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。   A pump motor 92 a that drives the hydrogen circulation pump 92 is driven by an alternating current having a frequency corresponding to the rotational speed from the hydrogen circulation pump inverter 94 through the power supply line 67.

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。   The water separated from the hydrogen off-gas in the humidification water tank 21 is pressurized by the humidification water pump 22 and supplied to the injector 62 through the humidification water pipe 23. The injector 62 injects humidifying water into the hydrogen humidifier 101 to humidify the hydrogen.

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。   When this fuel cell system is started from a low temperature state, the temperature of hydrogen supplied through the hydrogen pressure regulating valve 5 from a hydrogen tank (not shown), which is approximately the same as the outside air temperature, is further lowered by adiabatic expansion. Even if hydrogen is sent to the hydrogen humidifier 101 in this state, the target humidification amount and temperature are not reached because the temperature is low. Accordingly, there is a possibility that power generation cannot be performed at a temperature lower than the optimum power generation temperature range in the fuel cell main body 2 as it is. Even if power generation is possible, the power generation efficiency is poor, and this state continues until the temperature of the fuel cell system rises to an optimum temperature for power generation.

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)。   For this reason, at the time of starting the fuel cell system, warm-up is performed to raise the fuel cell temperature to a temperature suitable for operation. As such a warming-up method, a technique is known in which a heater is embedded in a gas diffusion layer (GDL) of a fuel cell main body, and the heater is operated at a low temperature startup to warm up (Patent Document 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)
There is also known a technique for providing a heating means for locally heating a part of the power generation surface of the fuel cell, and for warming up the fuel cell with reaction heat generated by the cell heated by the heating means (patent) Reference 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-163020 (page 3, FIG. 1) JP 2002-313391 A (page 4, FIG. 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。   However, in the warming-up method using the conventional heater, a space is required for installing the heater and power consumption for starting the fuel cell system increases. There was a problem that a device was necessary.

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。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell using hydrogen as a fuel, a high-pressure hydrogen container for storing the hydrogen, a compressor for sending air to the fuel cell, and various auxiliary devices used for operating the fuel cell. In the fuel cell system comprising: the power supply means for driving at least one of the auxiliary devices including the compressor or the power control means for controlling the load device of the fuel cell, the supply hydrogen and the supply air The gist is that a heating device for heating at least one of them is provided.

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。   According to the present invention, the fuel cell system can be warmed up without providing an electric heater or the like for heating the fuel cell, the structure of the fuel cell system is simplified, and power consumption for warming up is achieved. There is an effect that can be reduced.

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。   Further, in the case of a mobile fuel cell system, there is an effect that the capacity of a power storage device that supplies power for starting the fuel cell system can be reduced.

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。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each of the following embodiments, a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to the present invention will be described. However, the use of the fuel cell system according to the present invention is not limited to the fuel cell vehicle, but for home use or small scale. It is not limited to the cogeneration system for business establishments.

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。   FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a configuration example in which a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle.

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。
In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a fuel cell body 2 having a hydrogen electrode 2 a and an air electrode 2 b, a high-pressure hydrogen tank 3 that stores hydrogen gas as fuel at high pressure, and supplies hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3. Hydrogen supply valve 4, hydrogen pressure regulating valve 5 for adjusting hydrogen pressure to operating pressure, hydrogen supply piping 6, humidification device 7 having hydrogen humidification device 7a and air humidification device 7b, hydrogen discharge piping 8, and oxidizing agent A compressor 11 for supplying air, an air supply pipe 12, and
The heater 13 provided in the middle of the hydrogen supply pipe 6 and the air supply pipe 12, the air discharge pipe 14, the secondary battery 34, the fuel cell auxiliary machine 35, the drive motor inverter 32, and the vehicle are driven. A drive motor 33 and drive wheels 41 are provided.

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。   Further, in order to cool a cooling device (not shown) included in the humidifying device 7, a cooling water pump 16, a radiator 17, a radiator fan 18, and a cooling water pipe 19 are provided. The lowered coolant can be supplied to the humidifier 7.

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。   The fuel cell main body 2 is a fuel cell that includes, for example, a solid polymer electrolyte and generates power using hydrogen as a fuel and air as an oxidant. Hydrogen is adjusted from the high-pressure hydrogen tank 3 through the hydrogen supply valve 4, the hydrogen pressure regulating valve 5, and the hydrogen supply pipe 6 to a temperature and humidity optimal for power generation by the hydrogen humidifier 7 a, and the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2. 2a. The air is compressed by the compressor 11, humidified and temperature-adjusted by the air humidifier 7 b through the air supply pipe 12, and supplied to the air electrode 2 b of the fuel cell main body 2.

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。   The air used for power generation is discharged to the outside from the air discharge pipe 14. The humidifier 7 includes a hydrogen humidifier 7a that humidifies and adjusts the temperature of hydrogen, and an air humidifier 7b that humidifies and adjusts the temperature of air.

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。   The heating device 13 can include one or both of a hydrogen heating device 13a that heats hydrogen and an air heating device 13b that heats air, or one heating device that switches between air and hydrogen for heating. .

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。   The electric power generated by the fuel cell body 2 is supplied to the auxiliary machine 35 or the drive motor inverter 32, and surplus power is supplied to the secondary battery 34 and stored while driving the drive motor 33 and auxiliary machines for driving the vehicle. Is done. Further, the regenerative power generated by the deceleration of the vehicle is supplied from the drive motor inverter 32 to the auxiliary machine 35 or the secondary battery 34 and stored.

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。   When the power generation request for the fuel cell system is insufficient, if the fuel cell main body 2 does not have enough power to be generated, the shortage from the power stored in the secondary battery 34 is used as an assist power source, or the auxiliary machine 35 or the drive motor inverter 32. To supply.

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。   The fuel cell auxiliary machine 35 includes a compressor 11, a cooling water pump 16, a radiator fan 18, a hydrogen circulation pump (not shown), a cooling water pump for cooling the fuel cell body 2, a radiator fan, and the like.

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。   FIG. 2 is a configuration diagram for explaining a main part of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention, and shows an embodiment in which the heating device 13 is configured to heat air or hydrogen by switching. In addition, the same code | symbol is provided to the same component as the system block diagram shown in FIG.

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。   In the conventional example 1 shown in FIG. 8, the temperature of air and hydrogen supplied to the fuel cell main body at the time of start-up from a low temperature is low, and there is a possibility that power generation cannot be performed. However, there was a problem that it continued until the warm-up of the fuel cell system was completed. In order to solve this problem, as described in Patent Document 1 or 2, when an electric heater for heating the fuel cell main body is provided, the structure of the fuel cell main body becomes complicated and the power consumption for startup increases. There was a problem of doing. The present embodiment solves this problem and provides a fuel cell system that can save power consumption for warm-up at startup without complicating the structure of the fuel cell main body.

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。   2, the fuel cell system of this embodiment includes a compressor 11 that takes in and compresses air, a cooling device 63 that cools the air compressed by the compressor, a high-pressure hydrogen tank 3 that stores hydrogen at high pressure, and a high-pressure hydrogen. A hydrogen pressure control valve 5 for reducing the hydrogen gas pressure in the tank 3 to the operating pressure, a heating device 13 for heating the air that has passed through the cooling device 63 or the hydrogen pressure reduced by the hydrogen pressure control valve 5, an air humidifier 7b, The fuel cell body 2 includes an ejector 91 that mixes the hydrogen supplied to the gas and hydrogen electrode off-gas through the hydrogen circulation pipe 90, a hydrogen humidifier 7 a that humidifies the hydrogen gas mixed by the ejector 91.

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。   Compared to the conventional example 1 shown in FIG. 8, the elements added in the present embodiment shown in FIG. 2 are the heating device 13 for heating air or hydrogen, the three-way valves 81, 82, 86, 87, and the air bypass pipe. 84 and a hydrogen bypass pipe 89.

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。   The heating device 13 includes a compressor motor inverter 61 that is a power control means of a compressor motor 60 that drives the compressor 11 that is one of the auxiliary machines, an air heating pipe 83 that is heated by the compressor motor inverter 61, and hydrogen. A heating tube 88 is arranged. The compressor motor inverter 61 supplies driving AC power to the compressor motor 60 via a compressor motor power supply line 67. The rotational speed of the compressor 11 is controlled by the frequency of the alternating current generated by the compressor motor inverter 61.

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。   For the compressor motor inverter 61, a SiC element 64 using silicon carbide (SiC), which is a kind of wide gap semiconductor, is used as a switching element for power control.

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。   As a switching element for power control, a bipolar transistor, an insulated gate field effect transistor (MIS-FET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), various thyristors, and the like can be used.

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。   The wide gap semiconductor material is not limited to SiC, and is a switching element using any of a diamond structure carbon, a II-VI group compound such as ZnS, ZnSe, or a III-V group compound such as GaP, GaN, BP, BN. May be formed. Since these wide gap semiconductors have a wider band gap (forbidden band width) than silicon (Si) semiconductor elements and can operate up to high temperatures, when using this heat as a heat source for a heating device, a radiator Can be reduced in size or omitted, and is suitable for power control for a moving body.

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。   The SiC element 64, which is a switching element of the compressor motor inverter 61, is arranged in contact with the air heating pipe 83 and the hydrogen heating pipe 88, and the heat generated by the SiC element 64 is transmitted to them to heat the air or hydrogen. It can be done.

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。   The three-way valves 81 and 82 are valves that switch the air path between the cooling device 63 and the air humidifying device 7b between the air heating pipe 83 and the air bypass pipe 84. Similarly, the three-way valves 86 and 87 are valves for switching the hydrogen path between the hydrogen pressure regulating valve 5 and the hydrogen humidifier 7a between the hydrogen heating pipe 88 and the hydrogen bypass pipe 89.

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。   When the air is heated by the heating device 13, the three-way valves 81 and 82 in the air path are switched to the air heating pipe 83 side of the heating device 13, respectively, and the three-way valves 86 and 87 in the hydrogen path are respectively in the hydrogen bypass piping 89 side. Switch to.

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。   On the contrary, when hydrogen is heated by the heating device 13, the three-way valves 81 and 82 in the air path are switched to the air bypass pipe 84 side, and the three-way valves 86 and 87 in the hydrogen path are respectively switched to the heating device 13. Switch to the hydrogen heating tube 88 side.

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。   In FIG. 2, the outside air is compressed by the compressor 11, cooled by the cooling device 63, and supplied to the air humidifying device 7 b of the humidifying device 7 through the air supply pipe 12. The air that has been humidified and adjusted in temperature by the air humidifier 7 b is supplied to the air electrode of the fuel cell body 2.

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。   The compressor motor 60 that drives the compressor 11 is driven at a desired rotational speed by an alternating current supplied from the compressor motor inverter 97 via the power supply line 67.

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。   In a normal operation state, the temperature of the air compressed and discharged by the compressor 11 rises to about 200 [° C.]. For this reason, air is supplied to the humidifier 7 after the air temperature is lowered by the cooling device 63.

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。   On the other hand, the hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 is depressurized to the operating pressure of the fuel cell by the hydrogen pressure regulating valve 5 and supplied to the ejector 91 through the hydrogen supply pipe 6. The ejector 91, which is a fluid pump, uses the new hydrogen gas flow supplied from the hydrogen supply pipe 6 as a drive source, mixes the new hydrogen gas and the hydrogen electrode off-gas discharged from the fuel cell body 2, and the humidifier 7 To the hydrogen humidifier 7a. The hydrogen humidifier 7 a humidifies the hydrogen gas and adjusts the temperature to supply it to the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2.

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。   In FIG. 2, when the fuel cell system is warmed up, the compressor 11 is driven to supply air, and the driving load is positively increased in order to promote the heat generation of the SiC element 64 of the compressor motor inverter 61. By transferring the heat of the SiC element 64 to the air heating pipe 83 and the hydrogen heating pipe 88, the fuel cell inlet temperature of air and hydrogen can reach the temperature range optimal for power generation in a relatively short time. By reaching the fuel cell inlet temperature to a temperature range optimal for power generation, the warm-up time of the entire fuel cell system is shortened.

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。   Further, in the fuel cell system of FIG. 2, it is preferable that the temperature of air and hydrogen be close to each other so that oxygen in the air and hydrogen as a fuel are optimally subjected to chemical reaction and power generation inside the fuel cell. For this reason, it is necessary to adjust the fuel cell main body 2 to approach the same temperature, and even if there is a temperature difference between hydrogen and air at the inlets of the hydrogen humidifier 7a and the air humidifier 7b, the humidification is performed. The temperature can be adjusted with the device. However, since the humidifier has a limit of the temperature adjustment range unique to the apparatus, it is necessary to adjust the temperature difference between the hydrogen temperature T2 and the air temperature T4 at the inlet of the humidifier.

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。   For this reason, an air bypass pipe 84 and three-way valves 81 and 82 are provided between the cooling device 63 of the air supply system and the air humidifier 7b, and a hydrogen bypass between the hydrogen pressure regulating valve 5 of the hydrogen supply system and the hydrogen humidifier 7a. A pipe 89 and a three-way valve 87 are set. Then, the three-way valves 81, 82, 86, and 87 are switched depending on the necessity of heating, and the temperature difference between the air and hydrogen up to the humidifier inlet is controlled to be small. Thereby, further shortening of the warm-up operation time and steady operation can be performed stably and optimally.

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。   In addition, when the outside air temperature is particularly low and is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 0 [° C.]), the SiC motor element 61 is operated at a low-efficiency operating point in which the efficiency is lower than that during normal operation. 64 is positively heated, and a larger amount of heat is supplied from the heating device 13 to the supply air or supply hydrogen, so that the warm-up time can be shortened. As a method of setting the low-efficiency operating point, there is a method of increasing the power consumption at the time of switching by delaying the rise time and fall time of the signal for driving the SiC element 64.

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。   When the fuel cell temperature exceeds a predetermined temperature (for example, 80 [° C.]) and the warm-up is completed, the operation of the compressor inverter 61 is continuously performed from the low-efficiency operation point to the operation point during normal operation. Alternatively, the temperature of air or hydrogen can be optimally adjusted by changing the heat generation amount per unit time of the SiC element 64 by changing it stepwise.

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。   In the first embodiment, the configuration in which air or hydrogen is heated using the heat generated by the inverter for the compressor motor that drives the compressor that supplies air to the fuel cell has been described. In the second embodiment, the heat generated by the inverter for the hydrogen circulation pump is generated. The case where hydrogen is humidified using this will be described.

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。   FIG. 3 is a configuration diagram for explaining a main configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. In FIG. 3, hydrogen supplied from a hydrogen tank (not shown) is reduced to the operating pressure of the fuel cell by the hydrogen pressure regulating valve 5. The decompressed hydrogen is humidified by the hydrogen humidifier 101 and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell body 2. The hydrogen electrode off-gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2 passes through the hydrogen circulation pipe 90 and enters the humidification water tank 21 to separate excess moisture. The hydrogen off-gas from which excess moisture has been separated is sucked out of the humidification water tank by the hydrogen circulation pump 92, and returned to the hydrogen humidifier 101 through the pressure regulating valve 93.

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。   A pump motor 92 a that drives the hydrogen circulation pump 92 is driven by an alternating current having a frequency corresponding to the rotational speed from the hydrogen circulation pump inverter 94 through the power supply line 67.

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。   The water separated from the hydrogen off-gas in the humidification water tank 21 is pressurized by the humidification water pump 22 and supplied to the injector 62 through the humidification water pipe 23. The injector 62 injects humidifying water into the hydrogen humidifier 101 to humidify the hydrogen.

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。   The difference between this embodiment of FIG. 3 and the conventional example 2 shown in FIG. 9 is that in this embodiment, the hydrogen circulation pump inverter 94 is arranged in the hydrogen humidifier 7a, and the switching element of the hydrogen circulation pump inverter 94 is used. A certain SiC element 64 heats hydrogen or water jetted from the injector 62 inside the hydrogen humidifier 7b. According to the present embodiment, hydrogen can be humidified using heat generated from the power control means of the auxiliary machine without providing the hydrogen humidifier 7a with a heating means such as an electric heater that consumes energy. Similarly, it is obvious that the heat generated by the power control means of the auxiliary machine can be applied to the air humidifier.

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。   In the present embodiment, the fuel cell main body 2 can be warmed up using the heat generated by the inverter for the hydrogen circulation pump. When the fuel cell system is started at a low temperature, in the conventional example 2 shown in FIG. 9, the hydrogen supplied through the hydrogen pressure regulating valve 5 from the hydrogen tank outside the figure, which is the same temperature as the outside air temperature, is further heated by adiabatic expansion. Go down. Even if hydrogen is sent to the hydrogen humidifier 101 in this state, the target humidification amount and temperature are not reached because the temperature is low. Accordingly, there is a possibility that power generation cannot be performed at a temperature lower than the optimum power generation temperature range in the fuel cell main body 2 as it is. In addition, even if power generation is possible, power generation efficiency is poor, and this state continues until the fuel cell system temperature rises to an optimum temperature for power generation.

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。   In the present embodiment, in order to solve this problem, in the fuel cell system including the hydrogen circulation pump for returning the hydrogen electrode off-gas discharged from the fuel cell main body 2 to the humidifier, the hydrogen circulation pump inverter 94 is connected to the hydrogen circulation pump. Installed in the humidifier 7a, drives the hydrogen circulation pump 92 to circulate hydrogen between the hydrogen humidifier 7a and the fuel cell main body 2, and uses the heat generated by the inverter 94 for the hydrogen circulation pump to generate the hydrogen humidifier 7a. By heating the hydrogen, the fuel cell system is warmed up.

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。   Further, in order to increase the calorific value of the SiC element 64, the hydrogen temperature inside the hydrogen humidifier 7a can be further increased by positively increasing the load of the hydrogen circulation pump 92, and the hydrogen fuel cell inlet temperature. By reaching the temperature range optimum for power generation, the warm-up time of the entire fuel cell system is shortened.

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。   Further, by arranging the humidification water pipe 23 for supplying humidification water to the hydrogen humidification device 7 a close to the SiC element 64, the humidification water can receive the heat of the SiC element 64 and raise the temperature. Then, the temperature of the humidified water is injected into the hydrogen humidifier 7a by the injector 62, whereby the hydrogen temperature can be further increased, the warm-up time of the entire fuel cell system is shortened, and stable steady state You can drive.

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。   FIG. 4 is a main part configuration diagram of the fuel cell system of Example 3, and shows an air supply system of the fuel cell. In FIG. 4, the air supply system of the third embodiment includes a compressor 11 that is driven by a compressor motor 60 to compress air, an air supply pipe 12, an air heating device 13 b that heats the air supply pipe 12, and a cooling device 63. And an air humidifier 7b.

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。   The air heating device 13 b includes a compressor motor inverter 61 that supplies driving power to the compressor motor 60 as a heat source, and the driving AC is supplied from the compressor motor inverter 61 to the compressor motor 60 via the compressor motor power supply line 67. It is designed to supply power. The rotational speed of the compressor 11 is controlled by the frequency of the alternating current generated by the compressor motor inverter 61.

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。   The compressor motor inverter 61 is arranged so as to be in direct contact with the air supply pipe 12 or indirectly through a heat exchange member having an appropriate heat exchange fin (not shown), and the SiC element of the compressor motor inverter 61 The heat generated at 64 is transmitted to the air passing through the inside of the air supply pipe 12.

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。   The compressor motor inverter 61 uses a SiC element 64 using silicon carbide (SiC), which is a kind of wide gap semiconductor, as a switching element for power control.

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。   As a switching element for power control, a bipolar transistor, an insulated gate field effect transistor (MIS-FET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), various thyristors, and the like can be used.

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。   The wide gap semiconductor material is not limited to SiC, and is a switching element using any of a diamond structure carbon, a II-VI group compound such as ZnS, ZnSe, or a III-V group compound such as GaP, GaN, BP, BN. May be formed. Since these wide gap semiconductors have a wider band gap (forbidden band width) than silicon (Si) semiconductor elements and can operate up to high temperatures, when using this heat as a heat source for a heating device, a radiator Can be reduced in size or omitted, and is suitable for power control for a moving body.

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。   In a steady state in which a sufficient time has elapsed since the start of the start of the fuel cell main body 2, the compressor 11 itself is also warmed by the compression heat of the air, and the temperature of the air discharged from the compressor 11 becomes about 200 [° C.]. However, since the temperature of the air supplied to the fuel cell main body 2 is preferably about 80 [° C.], the temperature of the air is adjusted to the vicinity of this temperature by the cooling device 63. The temperature-adjusted air is humidified by the air humidifier 7 b and supplied to the fuel cell body 2.

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。   Next, the state immediately after starting this fuel cell system will be described. When the fuel cell system is started when the outside air temperature is low, the temperature of the air compressed by the compressor 11 tends to rise, but most of the temperature rise is spent for the temperature rise of the compressor itself, which has a low temperature and a large heat capacity. It takes time for the temperature of the air discharged from the compressor 11 to rise.

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。   On the other hand, since the compressor 11 is operated at the same time as the start of the fuel cell to supply air to the fuel cell, the compressor motor inverter 61 that supplies power to the compressor motor 60 is also operated at the same time as the start. For this reason, simultaneously with the start-up, the SiC 64 element which is the switching element of the compressor motor inverter 61 starts to generate heat, and the temperature rises rapidly. The air heating device 13b heats the air by the heat of the SiC element 64, and sends the air to the air humidifying device 7b through the cooling device 63.

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。   In addition, when the outside air temperature is particularly low and is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 0 [° C.]), the SiC motor element 61 is operated at a low-efficiency operating point in which the efficiency is lower than that during normal operation. 64 can be positively heated, and a larger amount of heat can be applied to the supply air from the air heating device 13b to shorten the warm-up time. As a method of setting the low-efficiency operating point, there is a method of increasing the power consumption at the time of switching by delaying the rise time and fall time of the signal for driving the SiC element 64.

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。   When the fuel cell temperature exceeds a predetermined temperature (for example, 80 [° C.]) and the warm-up is completed, the operation of the compressor inverter 61 is continuously performed from the low-efficiency operation point to the operation point during normal operation. Alternatively, the temperature of air or hydrogen can be optimally adjusted by changing the heat generation amount per unit time of the SiC element 64 by changing it stepwise.

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。   Since the compressor 11 is always operated during the operation of the fuel cell main body 2, heat generation of the SiC element 64 used as a switching element of the compressor motor inverter 61 can be always obtained. By using the heat generated by the SiC element 64 for heating the supplied air, it is possible to heat the air and shorten the warm-up time without separately providing a heating device such as an electric heater.

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。   In this embodiment, SiC is used as the switching element of the compressor motor inverter. However, the upper limit of the junction temperature of the Si semiconductor used in the conventional switching element is about 150 [° C.]. The air rises to about 200 ° C by the compression heat of the compressor, but SiC has the feature that the junction temperature can be used up to about 300 [° C], so it can be operated at a higher temperature than the Si element. And when it is used as a heat source of a heating device, the thermal efficiency of heating air can be improved.

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。   FIG. 5 is a main part configuration diagram of the fuel cell system of Example 4, and shows an air supply system of the fuel cell. In FIG. 5, the air supply system of the fourth embodiment includes a compressor 11 driven by a compressor motor 60 to compress air, an air supply pipe 12, an air heating device 13 b that heats the air supply pipe 12, and a cooling device 63. An air humidifier 7b, a refrigerant pump 72 that circulates a refrigerant that cools the heat of the compressor motor inverter 61, a radiator 71 such as a radiator that discharges the heat of the refrigerant outside the system, and a refrigerant pipe 73. ing.

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。   The difference between the present embodiment and the third embodiment shown in FIG. 4 is that, in this embodiment, as a cooling means for releasing the heat generated by the compressor motor inverter after the warm-up, the heat radiating device 71 and the refrigerant That is, a pump 72, a heat radiating device 71, a compressor motor inverter 61, and a refrigerant pipe 73 for connecting the refrigerant pump 72 to each other are provided. Since the other configuration is the same as that of the third embodiment shown in FIG. 4, the same components are assigned the same reference numerals and redundant description is omitted.

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。   According to the present embodiment, when the cooling means is provided in the compressor motor inverter 61 and the warming-up is completed and heating of the supply air becomes unnecessary, the cooling of the SiC element 64 as the switching element is performed. In addition, the SiC element 64 can be sufficiently cooled even if the capacity of the heat dissipation device 71 and the refrigerant pump 72 is small.

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。   FIG. 6 is a configuration diagram for explaining a configuration of main parts of a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the configuration as in the third embodiment shown in FIG. 4, when time elapses from the start of the fuel cell body 2 and the fuel cell body 2 itself warms up, the compression heat of the air generated from the compressor and the inverter of the power control means Since it is necessary to cool the air heating by the SiC element, the cooling capacity of the cooling device 63 needs to be increased.

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。   In this embodiment, the fuel cell is warmed up by a heating device that heats the air supplied to the fuel cell using the heat generated by the power control means for driving the auxiliary machine, and after the warm-up is completed, the heating device is bypassed. It is characterized in that it is unnecessary to increase the cooling capacity of the cooling device by supplying the air to the fuel cell.

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。   6, the air supply system of the fuel cell system of Example 6 includes a compressor 11 that is driven by a compressor motor 60 to compress air, an air heating device 13 b that heats the air compressed by the compressor 11, and a three-way valve 81. , 82, an air bypass pipe 84 that bypasses the air heating device 13b, a cooling device 63 that cools the air, an air humidifying device 7b that humidifies the air, and the fuel cell main body 2.

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。   The three-way valves 81 and 82 are arranged to switch the air path between the compressor 11 and the cooling device 63 between the air heating device 13 b and the air bypass pipe 84.

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。   The air heating device 13 b includes a compressor motor inverter 61 that supplies driving power to the compressor motor 60 as a heat source, and the driving AC is supplied from the compressor motor inverter 61 to the compressor motor 60 via the compressor motor power supply line 67. It is designed to supply power. The rotational speed of the compressor 11 is controlled by the frequency of the alternating current generated by the compressor motor inverter 61.

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。   The compressor motor inverter 61 is arranged so as to contact the air heating pipe 83 arranged inside the air heating device 13b directly or indirectly through a heat exchange member provided with an appropriate heat exchange fin (not shown). The heat generated in the compressor motor inverter 61 is transmitted to the air passing through the air supply pipe 12.

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。   The compressor motor inverter 61 uses a SiC element 64 using silicon carbide (SiC), which is a kind of wide gap semiconductor, as a switching element for power control.

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。   As a switching element for power control, a bipolar transistor, an insulated gate field effect transistor (MIS-FET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), various thyristors, and the like can be used.

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。   The wide gap semiconductor material is not limited to SiC, and is a switching element using any of a diamond structure carbon, a II-VI group compound such as ZnS, ZnSe, or a III-V group compound such as GaP, GaN, BP, BN. May be formed. Since these wide gap semiconductors have a wider band gap (forbidden band width) than silicon (Si) semiconductor elements and can operate up to high temperatures, when using this heat as a heat source for a heating device, a radiator Can be reduced in size or omitted, and is suitable for power control for a moving body.

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。   When starting the fuel cell system from a low temperature, the three-way valves 81 and 82 are switched to the air heating pipe 83 side. When the compressor 11 is driven in this state, the compressed air is heated by the air heating pipe 83 passing through the inside of the air heating device 13b by receiving heat from the SiC element 64 which is a switching element of the compressor motor inverter 61. Since the air thus heated is supplied to the fuel cell, warm-up of the fuel cell main body 2 is promoted.

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。   When the temperature of the fuel cell body 2 itself rises and the warm-up is completed, as described above, the SiC element 64 can be operated up to 300 [° C.] without being cooled. By switching 81 and 82 to the air bypass pipe 84 side, the air bypassing the air heating device 13b can be supplied to the cooling device 63. For this reason, after the warm-up is completed, the supply air can be supplied to the cooling device 63 without being heated by the air heating device 13b, and an increase in the cooling capacity of the cooling device 63 becomes unnecessary.

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。   FIG. 7 is a configuration diagram for explaining a configuration of main parts of a sixth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In this embodiment, a case where a switching element used for an inverter as a power control means of an auxiliary machine is not a wide-gap semiconductor material but a generally popular, easily available, and inexpensive Si element is used will be described.

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。   In FIG. 7, the air supply system of the fuel cell system according to the sixth embodiment includes a compressor 11 that is driven by a compressor motor 60 to compress air, a cooling device 63 that cools air compressed by the compressor 11, and a cooling device 63. An air humidifier 7b that humidifies the cooled air, three-way valves 81 and 82, an air heater 13b, an air bypass pipe 84, and the fuel cell main body 2 are provided.

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。   The three-way valves 81 and 82 are arranged to switch the air path between the air humidifier 7b and the air electrode of the fuel cell main body 2 between the air heater 13b and the air bypass pipe 84. .

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。   The air heating device 13 b includes a compressor motor inverter 61 that supplies driving power to the compressor motor 60 as a heat source. It is designed to supply power. The rotational speed of the compressor 11 is controlled by the frequency of the alternating current generated by the compressor motor inverter 61.

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。   The compressor motor inverter 61 is arranged so as to contact the air heating pipe 83 arranged inside the air heating device 13b directly or indirectly through a heat exchange member provided with an appropriate heat exchange fin (not shown). The heat generated in the compressor motor inverter 61 is transmitted to the air passing through the air supply pipe 12.

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。   The compressor motor inverter 61 uses a Si element 85 using silicon (Si) as a semiconductor material as a switching element for power control. When the Si element 85 is used as the switching element, the upper limit of the junction temperature is about 150 [° C.], so the air compressed by the compression heat of the compressor 11 after the warm-up is about 200 [° C.]. However, since the temperature is adjusted to about 80 [° C.] suitable for supplying the fuel cell by the cooling device 63 in advance, the warm-up time is shortened as in the case of the SiC element described in the other embodiments. An effect can be obtained.

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。   According to the present embodiment having the above-described configuration, the warm-up time can be shortened without separately adding a heat source such as an electric heater to the fuel cell main body 2.

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。   In addition, each Example described above was described in order to make an understanding of this invention easy, Comprising: It is not the thing described in order to limit this invention. Accordingly, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes belonging to the technical scope of the present invention.

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。   For example, in each of the above embodiments, the heat generated from the switching element of the inverter, which is the power control means of the compressor or hydrogen circulation pump as an auxiliary machine, is used as the heat source of the heating device or the humidifying device. The heat generated by the switching element of the drive motor inverter that controls the means and the drive motor that is the load device of the fuel cell may be used.

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。   Further, when the auxiliary machine or the load device is a device using DC power, a DC / DC converter or chopper can be used as a power control means, and the heat generated by these power control means can be used as a heat source.

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。1 is a system configuration diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to the present invention. 実施例1の燃料電池システムの要部構成図である。1 is a main part configuration diagram of a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例2の燃料電池システムの要部構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of a fuel cell system according to a second embodiment. 実施例3の燃料電池システムの要部構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a main part of a fuel cell system according to a third embodiment. 実施例4の燃料電池システムの要部構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a main part of a fuel cell system according to a fourth embodiment. 実施例5の燃料電池システムの要部構成図である。FIG. 10 is a main part configuration diagram of a fuel cell system of Example 5. 実施例6の燃料電池システムの要部構成図である。FIG. 10 is a main part configuration diagram of a fuel cell system of Example 6. 従来例1の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the prior art example 1. FIG. 従来例2の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the prior art example 2.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Fuel cell main body 3 ... High pressure hydrogen tank 4 ... Hydrogen supply valve 5 ... Hydrogen pressure regulating valve 6 ... Hydrogen supply piping 7 ... Humidification device 8 ... Hydrogen discharge piping 11 ... Compressor 12 ... Air supply piping 13 ... Heating Device 14 ... Air discharge pipe 16 ... Cooling water pump 17 ... Radiator 18 ... Radiator fan 19 ... Cooling water pipe 32 ... Drive motor inverter 33 ... Drive motor 34 ... Secondary battery 35 ... Auxiliary machine 41 ... Drive wheel

Claims (11)

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。
In a fuel cell system comprising a fuel cell using hydrogen as a fuel, a hydrogen storage container for storing the hydrogen, a compressor for sending air to the fuel cell, and various auxiliary devices for operating the fuel cell,
A heating device that heats at least one of the supplied hydrogen and the supplied air based on heat generated by power control means for driving at least one of the auxiliary devices including the compressor or power control means for controlling a load device of the fuel cell; A fuel cell system comprising:
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。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein, when the outside air temperature is lower than a predetermined temperature, the power control means is positively heated to shorten the warm-up time of the fuel cell. 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。   2. The temperature of air or hydrogen is adjusted by controlling the heat generation amount per unit time of the power control means when the temperature of the fuel cell exceeds a predetermined temperature and the warm-up is completed. The fuel cell system according to claim 2. 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。
The heating device can selectively heat air or hydrogen,
2. The temperature of air or hydrogen is preferentially adjusted by switching the path of air or hydrogen to pass through the heating means when the warm-up is completed and the fuel cell system is warmed. The fuel cell system described.
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。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a bypass pipe that bypasses the heating device and supplies air or hydrogen to the fuel cell without heating. 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。
A humidifier for humidifying at least one of air and hydrogen fed to the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, wherein humidification is performed in the humidifier using heat generated by the power control unit.
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。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the power control means is a DC / AC inverter that supplies an alternating current to an auxiliary machine or a load device, and heat generated by a switching element of the DC / AC inverter is used as the heat source. system. 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。   The power control means is a DC / DC converter or chopper that controls a direct current supplied to an auxiliary machine or a load device, and heat generated by the DC / DC converter or the switching element of the chopper is used as a heat source of the heating device. The fuel cell system according to claim 1, wherein: 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。   9. The fuel cell system according to claim 7, wherein the switching element is a wide gap semiconductor element using a wide gap semiconductor material. 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。   10. The fuel cell system according to claim 9, wherein the wide gap semiconductor material is any one of silicon carbide (SiC), diamond-structured carbon, II-VI group compound, and III-V group compound. 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。   11. A fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to claim 1, wherein the load device is a drive motor that drives the vehicle.
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