JP2005353454A - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】別途電気ヒータを設けることなく燃料電池の凍結を防止して燃料電池の解凍と暖機を行う燃料電池システム及び燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う燃料電池３１と、燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサ７１と、燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁５３と、酸化剤ガスを加湿する加湿装置と、酸化剤ガスを圧縮する圧縮器と、燃料電池３１の出口から排出された燃料ガスを燃料電池３１の入口へ循環させる水素循環ポンプ５７と、燃料電池３１、加湿装置、圧縮器或いは水素循環ポンプ５７を駆動するインバータ５９ａ、５９ｂとを備え、インバータ５９ａ、５９ｂは水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の周囲に配置されたスイッチング素子６４ａ、６４ｂを有し、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３はスイッチング素子６４ａ、６４ｂの発熱により加熱される。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池自動車に関し、特に、インバータ内のスイッチング素子を用いて燃料電池の暖機及び解凍を行う燃料電池システム及び燃料電池自動車に関する。

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。

一般的に、燃料電池の通常の動作温度は７０℃〜８０ ℃程度とされており、外気温がこれよりも低い場合は発電効率が低下してしまう。更に外気温が氷点下まで下がると燃料電池から生成される純水が凍結してしまう。また、水素供給系統において水素圧力センサ及び水素圧力調整弁が凍結してしまうと正常に燃料電池システムを起動することができない。

従来から、燃料電池の低温起動性を向上させるべく、電気ヒータを設けて燃料電池を加熱する方式の暖機方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２００３−１６３０２０号公報（特に図１及び要約参照） 特開２００２−３１３３９１号公報（特に図２及び要約参照）

しかし、電気ヒータを用いた暖機方法では、電気ヒータを設置するためのスペースが新たに必要となると共に、電気ヒータにより消費電力が増えてしまう。

本発明の第１の特徴は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う燃料電池と、燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサと、燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁と、酸化剤ガスを加湿する加湿装置と、酸化剤ガスを圧縮する圧縮器と、燃料電池の出口から排出された燃料ガスを燃料電池の入口へ循環させる水素循環ポンプと、燃料電池、加湿装置、圧縮器或いは水素循環ポンプを駆動するインバータとを備える燃料電池システムであって、インバータは水素圧力センサ及び水素調圧弁に対して熱的に接続されたスイッチング素子を有し、水素圧力センサ及び水素調圧弁はスイッチング素子の発熱により加熱されることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、燃料電池システムを有する燃料電池自動車であって、燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う燃料電池と、燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサと、燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁と、酸化剤ガスを加湿する加湿装置と、酸化剤ガスを圧縮する圧縮器と、燃料電池の出口から排出された燃料ガスを燃料電池の入口へ循環させる水素循環ポンプと、車両の駆動輪に接続された駆動モータと、燃料電池、加湿装置、圧縮器、水素循環ポンプ或いは駆動モータを駆動するインバータとを備え、インバータは水素圧力センサ及び水素調圧弁に対して熱的に接続されたスイッチング素子を有し、水素圧力センサ及び水素調圧弁は、スイッチング素子の発熱により加熱されることを要旨とする。

本発明によれば、別途電気ヒータ等を設けることなく、燃料電池の凍結を防止するととともに燃料電池の解凍と暖機を行う燃料電池システム及び燃料電池自動車を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料電池３１と、高圧圧縮された燃料ガスを貯蔵する水素容器５１と、水素容器５１内の燃料ガスを所定の圧力まで減圧する水素供給弁５２と、燃料ガスを燃料電池３１へ供給する際の圧力まで更に減圧する水素調圧弁５３と、燃料電池３１の出口から排出された燃料ガスを燃料電池３１の入口へ循環させる水素循環ポンプ５７と、酸化剤ガスとしての空気を圧縮する圧縮器１１（以後、「コンプレッサ」という）と、酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿する加湿装置２４と、燃料電池３１が発電した電力を一時的に蓄えるラミネート二次電池３４と、燃料電池３１が発電した電力により駆動する駆動モータ３３と、駆動モータ３３を制御する駆動インバータ３２とを備える。

水素容器５１内の高圧状態の燃料ガスは、水素供給配管５４上に配置された水素供給弁５２及び水素調圧弁５３により減圧され、燃料電池３１手前の加湿装置２４により最適温度へ温調され、燃料電池３１の燃料極へ供給される。燃料電池３１より排出された水素の一部は、水素排出配管５５を通って水素循環ポンプ５７により再び燃料電池３１の燃料極へ供給される。一方、コンプレッサ１１により圧縮された空気は、空気供給配管１２上の加湿装置２４で最適温度へ温調され、燃料電池３１の酸化剤極へ供給される。燃料電池３１より排出された空気は空気排出配管１３を通り外部へ排出される。燃料ガス及び空気が供給される燃料電池３１は、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う。

燃料電池３１が発電した電力は、補機３５、駆動インバータ３２或いは加湿装置２４に供給され、駆動モータ３３又は補機３５が駆動される。余剰電力は、ラミネート二次電池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、駆動インバータ３２から補機３５或いはラミネート二次電池３４へ供給され、蓄電される。

燃料電池システムからの発電要求に対して燃料電池３１の発電力が不足している時は、ラミネート二次電池３４に蓄電している電力で、発電要求の不足分を補う。即ち、ラミネート二次電池３４は、アシスト電源として補機３５或いは駆動インバータ３２へ電力を供給する。

加湿装置２４には加湿水の循環路が接続され、加湿水の循環路上にラジエータ２２、ラジエータファン２３及び循環モータが配置されている。加湿水は、循環モータにより循環路内を循環し、ラジエータ２２及びラジエータファン２３により冷却される。

図１に示した燃料電池システムにおける、水素圧力センサ及び水素調圧弁の凍結防止方法、及びシステム停止時に凍結した場合の水素圧力センサ及び水素調圧弁の解凍と暖機方法は、図２に示す燃料電池システムの構成により実現される。

図２に示すように、実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサ７１と、燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁５３と、燃料電池３１の出口から排出された燃料ガスを燃料電池３１の入口へ循環させる水素循環ポンプ５７と、水素循環ポンプ５７の動力源としての水素ポンプ用モータ５８と、循環水素ガスを水素容器５１からの燃料ガスへ混合するエゼクタ７２と、燃料電池３１、図１の加湿装置２４、コンプレッサ１１及び水素ポンプ用モータ５８のそれぞれを駆動するインバータとを備える。なお、図２には、水素ポンプ用モータ５８を駆動するための２つの水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂのみを示し、燃料電池３１、加湿装置２４、コンプレッサ１１を駆動するためのインバータの図示を省略する。水素循環ポンプ５７と水素ポンプ用モータ５８は機械的に接続されている。

水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂのそれぞれは、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の近傍に配置されたスイッチング素子６４ａ、６４ｂを有する。即ち、スイッチング素子６４ａ、６４ｂのそれぞれは、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３に対して熱的に接続されている。水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３は、スイッチング素子６４ａ、６４ｂの発熱により加熱される。スイッチング素子６４ａ、６４ｂは、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドギャップ半導体からなる半導体素子であることが望ましい。ここでは、スイッチング素子がＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂからなる場合について説明する。

水素ポンプ用モータ５８は、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂから動作電力が供給されて動作する。水素循環ポンプ５７は、燃料電池３１から排出される水素ガスを、水素容器５１から減圧された燃料ガスとともに再び燃料電池３１の燃料極へ供給する。

水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の温度は、高圧圧縮された燃料ガスの断熱冷却により低下する。また、外気温が低い場合には、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３が凍結するおそれがあり、凍結した場合は燃料電池システムとして正常に動作することができない。

燃料電池３１の運転開始と同時に水素循環ポンプ５７は動作し始めるため、水素循環ポンプ５７を駆動している水素ポンプ用モータ５８に電力を供給している水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂにも同時に通電され、スイッチング素子としてのＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂにも通電される。ＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂは半導体素子であるため通電されると反応よくその温度が上昇する。水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂのスイッチング素子として用いられているＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂの発熱が、ＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂの近傍に配置された水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３へ伝達されて暖められる。

燃料電池３１を動作させるためには排出された水素ガスを再び燃料電池３１へ循環させるための水素循環ポンプ５７を動作させる必要である。即ち、燃料電池３１が運転している時には常に水素循環ポンプ５７は動作しているため、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂ内のＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂの発熱は常時得ることができる。ＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂの発熱を用いることにより、電気ヒータ等の加熱装置を別途設けることなく、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３を加熱することができ、凍結を防止するとともに、凍結した場合においても解凍・暖機時間の短縮を図ることができる。

以上説明したように、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂ内のスイッチング素子６４ａ、６４ｂの発熱により水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３が加熱され、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の解凍と暖機を行うことができる。したがって、別途電気ヒータ等を設けることなく、燃料電池３１の凍結を防止するととともにシステム停止時の間に凍結した場合でも、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の解凍と暖機を行うことができる。

また、外気温が低い場合は積極的にスイッチング素子６４ａ、６４ｂを発熱させるようにして解凍と暖機の時間を短くすることができる。

なお、図２中で図示は省略するが、インバータは、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂに限定されるものではなく、燃料電池３１、加湿装置２４或いはコンプレッサ１１を駆動するインバータであっても構わない。更に、インバータは、駆動モータ３３を駆動する駆動インバータ３２であっても構わない。

また、スイッチング素子は、ＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂ等のワイドギャップ半導体であることが望ましい。この場合、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂの冷却を防止でき、更に小型で簡素化した燃料電池システムを実現できる。

更に、図１では水素容器５１は１本で構成されているが、水素容器５１の数は複数であっても構わない。

更に、本発明の実施の形態では、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂ内のスイッチング素子としてＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂを用いているが、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶のジャンクション温度は〜３００℃程度である。一方、珪素（Ｓｉ）単結晶のジャンクション温度は〜１５０℃程度である。したがって、インバータ内のスイッチング素子としてＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂを用いることにより、スイッチング素子として珪素（Ｓｉ）素子を用いた場合に比べて、より高い３００℃までは冷却することなく動作させることが可能となる。したがって、水素ポンプ用インバータ５９ａ、５９ｂの運転条件を調整して発熱をコントロールすることにより、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の温度を適温に調整することができる。また、より小型で簡素化した燃料電池システムを供給できる。

後述する第１の変形例に係わる燃料電池システムに比して、図２の燃料電池システムではＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂを水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の直近にそれぞれ配置することにより、より効率よくＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂの発熱を伝えることができる。また、ＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂは３００℃まで冷却が不要であるため、電気配線のみを考慮すればよく、冷却水用配管を考慮する必要がなくレイアウト上有利となる。

（第１の変形例）
図３に示すように、第１の変形例に係わる燃料電池システムは、図２の燃料電池システムに比して、以下の点が相違する。即ち、ＳｉＣ素子６４を含む水素ポンプ用インバータ５９は、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の直近に配置されていない。その代わりに、水素ポンプ用インバータ５９、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３に隣接して冷却水流路７０を配置し、冷却水流路７０内にＬＬＣ等の冷媒を循環させる。これにより、ＳｉＣ素子６４は水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３に対して熱的に接続され、ＳｉＣ素子６４の発熱を水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３に伝達させることができる。その他の構成は、図２のそれと同じであり説明を省略する。

冷却水流路７０は、図１のコンプレッサ１１を駆動するインバータ又は駆動インバータ３２を冷却する冷却系統の一部として構成することができるため、大幅な装置の追加は不要である。

（第２の変形例）
図４に示すように、第２の変形例に係わる燃料電池システムは、図２の燃料電池システムに比して、以下の点が相違する。即ち、水素ポンプ用インバータ５９のケース内に、燃料ガス及び冷却冷媒のそれぞれの配管と、水素圧力センサ７１と、水素調圧弁５３とを配置し、水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３の直近にＳｉＣ素子６４ａ、６４ｂをそれぞれ配置する。換言すれば、図４は、水素ポンプ用インバータ５９と水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３とを一体化した例を示す。一体化することにより図２及び図３の例に比して効率よく水素圧力センサ７１及び水素調圧弁５３を加熱することができ、また、スペース効率を向上させることもできる。なお、冷却冷媒の配管は、図１のコンプレッサ１１を駆動するインバータ又は駆動インバータ３２を冷却する冷却系統の一部分を成している。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明は、燃料電池システムを車載している燃料電池自動車に利用することができる。燃料電池システムを車載することにより、例えば駆動モータ用インバータを利用して、暖機及び出力の安定した運転が可能な燃料電池自動車を提供することが出来る。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 図１の燃料電池システムにおける解凍及び暖機方法に係わる構成要素を示すブロック図である。 図２に示した実施の形態に係わる燃料電池システムの第１の変形例を示すブロック図である。 図２に示した実施の形態に係わる燃料電池システムの第２の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１１…圧縮器（コンプレッサ）
１２…空気供給配管
１３…空気排出配管
２２…ラジエータ
２３…ラジエータファン
２４…加湿装置
３１…燃料電池
３２…駆動インバータ
３３…駆動モータ
３４…ラミネート二次電池
３５…補機
５１…水素容器
５２…水素供給弁
５３…水素調圧弁
５４…水素供給配管
５５…水素排出配管
５７…水素循環ポンプ
５８…水素ポンプ用モータ
５９、５９ａ、５９ｂ…水素ポンプ用インバータ
６４、６４ａ、６４ｂ…スイッチング素子（ＳｉＣ素子）
７０…冷却水流路
７１…水素圧力センサ
７２…エゼクタ

Claims (5)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガス中の水素と前記酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサと、
   前記燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁と、
   前記酸化剤ガスを加湿する加湿装置と、
   前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮器と、
   前記燃料電池の出口から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池の入口へ循環させる水素循環ポンプと、
   前記燃料電池、前記加湿装置、前記圧縮器或いは前記水素循環ポンプを駆動するインバータとを備え、
   前記インバータは、前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁に対して熱的に接続されたスイッチング素子を有し、
   前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁は、前記スイッチング素子の発熱により加熱されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 外気温が前記燃料電池の通常の動作温度よりも低い場合に前記スイッチング素子を発熱させ、前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁の解凍と暖機の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. 前記スイッチング素子の発熱量を制御して、前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記スイッチング素子がワイドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応によって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスの圧力を測定する水素圧力センサと、
   前記燃料ガスの圧力を調整する水素調圧弁と、
   前記酸化剤ガスを加湿する加湿装置と、
   前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮器と、
   前記燃料電池の出口から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池の入口へ循環させる水素循環ポンプと、
   車両の駆動輪に接続された駆動モータと、
   前記燃料電池、前記加湿装置、前記圧縮器、前記水素循環ポンプ或いは前記駆動モータを駆動するインバータとを備え、
   前記インバータは、前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁に対して熱的に接続されたスイッチング素子を有し、
   前記水素圧力センサ及び前記水素調圧弁は、前記スイッチング素子の発熱により加熱される燃料電池システムを有することを特徴とする燃料電池自動車。

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