(57)【要約】【課題】  反応ガス加湿用のエネルギー消費を減少させ、燃料電池システムの総合効率を向上させる。【解決手段】  燃料電池本体２に空気を供給するコンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサモータ用インバータ６１により制御される。燃料電池本体２に供給する空気を加湿する空気加湿装置７ｂには、コンプレッサモータ用インバータ６１とインジェクタ６２が設けられる。燃料電池排気から分離された水は、ドレーン水配管２０を介して加湿用水タンク２１に貯留され、加湿用水ポンプ２２によりインジェクタ６２へ供給される。インジェクタ６２は、空気加湿装置７ｂ内部の加湿用空間６５へ水を噴霧したり、コンプレッサモータ用インバータ１６のＳｉＣ素子６４へ向けて水を噴射する。ＳｉＣ素子６４の発熱は、噴霧または噴射された水を蒸発させる気化熱として奪われる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する固体高分子電解質型の燃料電池と、
燃料ガスとしての水素を供給する水素供給手段と、
酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、
前記水素供給手段から供給される水素と前記空気供給手段から供給される空気の少なくとも一方を加湿して前記燃料電池へ供給する加湿手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿手段は、前記燃料電池の補機と前記燃料電池の負荷装置との少なくとも一方の電力制御手段の発熱を加湿用の熱源として利用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記補機は、前記空気供給手段のコンプレッサ、前記燃料電池に水素を循環させる水素循環ポンプ、前記燃料電池に冷却液を循環させる冷却液ポンプ、前記冷却液から放熱させるラジエータに送風するラジエータファンを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
外気温が所定温度より低い場合は、前記電力制御手段の効率を低下させて発熱量を増加させ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。
【請求項４】
前記電力制御手段は、前記補機または前記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湿用熱源とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電力制御手段は、前記補機または前記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加湿用熱源とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿手段は、前記スイッチング素子又は該スイッチング素子から伝熱される伝熱部材により加熱される加湿用空間と、
該加湿用空間に加湿用水を噴霧するインジェクタと、
を備えたこと特徴とする請求項４または請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿手段は、前記スイッチング素子又は該スイッチング素子から伝熱される伝熱部材が露出する加湿用空間と、
該加湿用空間に露出した前記スイッチング素子又は前記伝熱部材へ加湿用水を直接噴射するインジェクタと、
を備えたこと特徴とする請求項４または請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
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４乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
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８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質型の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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
ところで固体高分子電解質のうち、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等では、含水量が十分でないと良好なイオン導電性を発揮しないことが知られている。このため、固体高分子電解質に水分を供給する手段として、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿することが行なわれている。この加湿方法には、超音波振動子により小さい水滴をガス中に拡散させる超音波振動法、気体を水中に吹き出して加湿するバブリング法、浸透膜を介して液相から気相へ加湿する浸透膜法、高温気体中に水を噴霧するスプレー法等がある。
【０００４】
例えば、特許文献１記載の燃料電池システムでは、超音波発生器とインジェクタとヒータからなる加湿装置を設けている。
【特許文献１】特開平７−２６３０１０号公報（第３ページ、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、バブリング加湿方法では、十分な量の純水を貯蔵しておく必要があるため、大きな容量を備えた純水タンクを配置する必要があり、更にガスが飽和水分量を維持する為には燃料電池温度とタンク内温度を等しくする必要があり、水温制御に多くのエネルギーが必要となるという問題点があった。
【０００６】
浸透膜加湿では供給ガスを十分に加湿するためには大きな面積の浸透膜を設置する必要があり、燃料電池が大型化するという問題点があった。
【０００７】
インジェクタとヒータとの組み合わせでは、インジェクタに供給する前の純水をヒータで温めるため、ヒータのサイズが大きくなり、且つ大量の電力が必要になるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する固体高分子電解質型の燃料電池と、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給手段と、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、前記水素供給手段から供給される水素と前記空気供給手段から供給される空気の少なくとも一方を加湿して前記燃料電池へ供給する加湿手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記加湿手段は、前記燃料電池の補機と前記燃料電池の負荷装置との少なくとも一方の電力制御手段の発熱を加湿用の熱源として利用することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の補機と燃料電池の負荷装置との少なくとも一方の電力制御手段の発熱を加湿手段の熱源として利用するようにしたので、加湿用の熱源としてヒータが不要となり、加湿用のエネルギー消費が減少し、燃料電池システムの総合効率が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【実施例１】
【００１１】
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。
【００１２】
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、パージ弁９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、空気極の排気から水を分離する気液分離器１３と、空気排出配管１４と、空気調圧弁１５と、ドレーン水配管２０と、加湿用水タンク２１と、加湿用水ポンプ２２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とを備えている。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
発電に使用された空気は、気液分離器１３で水分が回収された後、空気調圧弁１５から外部へ排出される。回収された水は、ドレーン水配管２０を通って、加湿用水タンク２１に貯留される。加湿用水ポンプ２２は、加湿用水タンク２１から水を汲み上げて加湿用水配管２３を介して加湿装置７に供給される。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、加湿用水ポンプ２２、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、ラジエタファン等が含まれる。
【００１９】
図２は、本実施例１の空気加湿装置７ｂを含む空気供給系の詳細を説明する要部構成図である。図２において、燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサ１１と、コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０と、冷却装置６６と、空気加湿装置７ｂと、冷却装置６３と、加湿用水タンク２１と、加湿用水ポンプ２２と、加湿用水配管２３とを備えている。ここで、空気加湿装置７ｂと冷却装置６３，６６とは、図１の加湿装置７の一部である。
【００２０】
空気加湿装置７ｂには、補機の電力制御手段としてＤＣ／ＡＣインバータを用いたコンプレッサモータ用インバータ６１が設けられていて、コンプレッサモータ用インバータ６１の発熱を加湿用熱源として利用できるようになっている。
【００２１】
外部から空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１は、コンプレッサモータ６０により駆動される。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６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して回転速度に応じた交流電力が供給されて動作する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素（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コンプレッサモータ用インバータに用いてもよい。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湿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。
【００２４】
空気加湿装置７ｂには、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が空気加湿装置７ｂの加湿用空間６５に面して配置されている。また加湿用空間６５には、インジェクタ６２の噴射口が開口している。加湿用水タンク２１から加湿用水ポンプ２２で圧送された水は、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２に供給されている。
【００２５】
コンプレッサ１１が圧縮し圧力が上昇した空気は、例えば２００〔℃〕程度まで温度が上昇する。この温度上昇した空気は、冷却装置６６で冷却される。冷却装置６６の冷却時に発生する水は外部へ排出する。冷却装置６６を通った空気は空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂにはコンプレッサモータ用インバータ６１が設置され、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４またはＳｉＣ素子６４から伝熱される図示しない放熱器等の伝熱部材が加湿用空間６５に面している。コンプレッサモータ用インバータ６１を動作させることにより発生する熱により加湿用空間６５内の空気は高温になっている。インジェクタ６２は、図示しないコントロールユニットの制御により加湿に必要な分量の水を加湿用空間６５内に噴霧して空気の加湿を行う。同時に、噴霧された水の蒸発により気化熱が奪われるのでＳｉＣ素子６４は冷却されることになる。
【００２６】
空気加湿装置７ｂ内に溜まった水は、加湿用水タンク２１に供給される。空気加湿装置７ｂ内で加湿された空気は冷却装置６３を通り、適温に温度調節された後、燃料電池本体２に供給される。空気冷却時に冷却装置６３に溜まる水は加湿用水タンク２１に供給される。
【００２７】
尚、燃料電池システムに外気温度を検出する外気温センサを設け、この外気温センサで検出した外気温度が所定温度以下の場合、コンプレッサモータ用インバータ６１の電力変換効率を低下させて、ＳｉＣ素子６４の発熱量を増加させるように制御すると、低温時の加湿能力低下を緩和することができる。
【００２８】
本実施例によれば、空気を加湿する為の熱源として燃料電池の補機または負荷装置の電力制御手段の廃熱を利用しているので、加湿のためのエネルギーを削減し、燃料電池システムの総合効率が向上するという効果がある。
【実施例２】
【００２９】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。本実施例２のシステム構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
図３は、本実施例２の空気加湿装置７ｂを含む空気供給系の詳細を説明する要部構成図である。図３において、燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサ１１と、コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０と、冷却装置６６と、空気加湿装置７ｂと、冷却装置６３と、加湿用水タンク２１と、加湿用水ポンプ２２と、加湿用水配管２３とを備えている。ここで、空気加湿装置７ｂと冷却装置６３，６６とは、図１の加湿装置７の一部である。
【００３１】
空気加湿装置７ｂには、補機の電力制御手段としてＤＣ／ＡＣインバータを用いたコンプレッサモータ用インバータ６１が設けられていて、コンプレッサモータ用インバータ６１の発熱を加湿用熱源として利用できるようになっている。
【００３２】
外部から空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１は、コンプレッサモータ６０により駆動される。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６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して回転速度に応じた交流電力が供給されて動作する。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。
【００３３】
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。
【００３４】
ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素（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、ＧａＰ，ＧａＮ，ＢＰ，ＢＮ等のIII-Ｖ族化合物の何れかでもよい。これらの半導体材料を用いてスイッチング素子を形成してコンプレッサモータ用インバータに用いることができる。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湿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。
【００３５】
空気加湿装置７ｂには、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が空気加湿装置７ｂの加湿用空間６５に面して配置されている。また加湿用空間６５には、インジェクタ６２の噴射口が開口している。インジェクタ６２はＳｉＣ素子６４に直接水を噴射できる位置に設置する。加湿用水タンク２１から加湿用水ポンプ２２で圧送された水は、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２に供給されている。
【００３６】
コンプレッサ１１が圧縮し圧力が上昇した空気は、例えば２００〔℃〕程度まで温度が上昇する。この温度上昇した空気は、冷却装置６６で冷却される。冷却装置６６の冷却時に発生する水は外部へ排出する。冷却装置６６を通った空気は空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂにはコンプレッサモータ用インバータ６１が設置され、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４またはＳｉＣ素子６４から伝熱される図示しない放熱板等の伝熱部材が加湿用空間６５に面している。コンプレッサモータ用インバータ６１を動作させることにより発生する熱によりＳｉＣ素子６４は高温になっている。インジェクタ６２は、図示しないコントロールユニットの制御により加湿に必要な分量の水をＳｉＣ素子６４に向かって直接噴射する。噴射された水は、高温のＳｉＣ素子６４により蒸発して、加湿空間６５内の空気を加湿する。同時に、噴射された水の蒸発により気化熱が奪われるのでＳｉＣ素子６４は冷却されることになる。
【００３７】
尚、燃料電池システムに外気温度を検出する外気温センサを設け、この外気温センサで検出した外気温度が所定温度以下の場合、コンプレッサモータ用インバータ６１の電力変換効率を低下させて、ＳｉＣ素子６４の発熱量を増加させるように制御すると、低温時の加湿能力低下を緩和することができる。
【００３８】
本実施例によれば、空気を加湿する為の熱源として燃料電池の補機または負荷装置の電力制御手段の廃熱を利用しているので、加湿のためのエネルギーを削減し、燃料電池システムの総合効率が向上するという効果がある。
【実施例３】
【００３９】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。本実施例３のシステム構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
図４は、本実施例３の空気加湿装置７ｂを含む空気供給系の詳細を説明する要部構成図である。本実施例３と実施例１との相違は、実施例３においては、実施例１の冷却装置６６が省略されていることである。その他の構成は、図２に示した実施例１と同様である。
【００４１】
図４において、燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサ１１と、コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０と、空気加湿装置７ｂと、冷却装置６３と、加湿用水タンク２１と、加湿用水ポンプ２２と、加湿用水配管２３とを備えている。ここで、空気加湿装置７ｂと冷却装置６３とは、図１の加湿装置７の一部である。
【００４２】
空気加湿装置７ｂには、補機の電力制御手段としてＤＣ／ＡＣインバータを用いたコンプレッサモータ用インバータ６１が設けられていて、コンプレッサモータ用インバータ６１の発熱を加湿用熱源として利用できるようになっている。
【００４３】
外部から空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１は、コンプレッサモータ６０により駆動される。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６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して回転速度に応じた交流電力が供給されて動作する。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。
【００４４】
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。
【００４５】
ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素（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、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コンプレッサモータ用インバータに用いてもよい。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湿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。
【００４６】
空気加湿装置７ｂには、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が空気加湿装置７ｂの加湿用空間６５に面して配置されている。また加湿用空間６５には、インジェクタ６２の噴射口が開口している。加湿用水タンク２１から加湿用水ポンプ２２で圧送された水は、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２に供給されている。
【００４７】
コンプレッサ１１が圧縮し圧力が上昇した空気は、例えば２００〔℃〕程度まで温度が上昇する。この温度上昇した空気は、空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂにはコンプレッサモータ用インバータ６１が設置され、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４またはＳｉＣ素子６４から伝熱される図示しない放熱器等の伝熱部材が加湿用空間６５に面している。コンプレッサモータ用インバータ６１を動作させることにより発生する熱により加湿用空間６５内の空気は更に加熱される。インジェクタ６２は、図示しないコントロールユニットの制御により加湿に必要な分量の水を加湿用空間６５内に噴霧して空気の加湿を行う。同時に、噴霧された水の蒸発により気化熱が奪われるのでＳｉＣ素子６４は冷却されることになる。
【００４８】
空気加湿装置７ｂ内に溜まった水は、加湿用水タンク２１に供給される。空気加湿装置７ｂ内で加湿された空気は冷却装置６３を通り、適温に温度調節された後、燃料電池本体２に供給される。空気冷却時に冷却装置６３に溜まる水は加湿用水タンク２１に供給される。
【００４９】
尚、燃料電池システムに外気温度を検出する外気温センサを設け、この外気温センサで検出した外気温度が所定温度以下の場合、コンプレッサモータ用インバータ６１の電力変換効率を低下させて、ＳｉＣ素子６４の発熱量を増加させるように制御すると、低温時の加湿能力低下を緩和することができる。
【００５０】
以上説明した本実施例によれば、空気を加湿する為の熱源として燃料電池の補機または負荷装置の電力制御手段の廃熱を利用しているので、加湿のためのエネルギーを削減し、燃料電池システムの総合効率が向上するという効果がある。
【００５１】
また、本実施例によれば、空気を圧縮した熱も加湿のための熱源として利用できるため、加湿に必要なエネルギーを更に低減し燃料電池システムの効率が向上する。
【実施例４】
【００５２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。本実施例４のシステム構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
図５は、本実施例４の空気加湿装置７ｂを含む空気供給系の詳細を説明する要部構成図である。本実施例４と実施例２との相違は、実施例４においては、実施例２の冷却装置６６が省略されていることである。その他の構成は、図３に示した実施例２と同様である。
【００５４】
図５において、燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサ１１と、コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ６０と、空気加湿装置７ｂと、冷却装置６３と、加湿用水タンク２１と、加湿用水ポンプ２２と、加湿用水配管２３とを備えている。ここで、空気加湿装置７ｂと冷却装置６３とは、図１の加湿装置７の一部である。
【００５５】
空気加湿装置７ｂには、補機の電力制御手段としてＤＣ／ＡＣインバータを用いたコンプレッサモータ用インバータ６１が設けられていて、コンプレッサモータ用インバータ６１の発熱を加湿用熱源として利用できるようになっている。
【００５６】
外部から空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ１１は、コンプレッサモータ６０により駆動される。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６１からコンプレッサモータ給電線６７を介して回転速度に応じた交流電力が供給されて動作する。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。
【００５７】
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。
【００５８】
ワイドギャップ半導体材料は、炭化珪素（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、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コンプレッサモータ用インバータに用いてもよい。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湿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。
【００５９】
空気加湿装置７ｂには、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が空気加湿装置７ｂの加湿用空間６５に面して配置されている。また加湿用空間６５には、インジェクタ６２の噴射口が開口している。インジェクタ６２はＳｉＣ素子６４に直接水を噴射できる位置に設置する。加湿用水タンク２１から加湿用水ポンプ２２で圧送された水は、加湿用水配管２３を介してインジェクタ６２に供給されている。
【００６０】
コンプレッサ１１が圧縮し圧力が上昇した空気は、例えば２００〔℃〕程度まで温度が上昇する。この温度上昇した空気は、空気加湿装置７ｂへ供給される。空気加湿装置７ｂにはコンプレッサモータ用インバータ６１が設置され、コンプレッサモータ用インバータ６１のＳｉＣ素子６４またはＳｉＣ素子６４から伝熱される図示しない放熱板等の伝熱部材が加湿用空間６５に面している。コンプレッサモータ用インバータ６１を動作させることにより発生する熱によりＳｉＣ素子６４は高温になっている。インジェクタ６２は、図示しないコントロールユニットの制御により加湿に必要な分量の水をＳｉＣ素子６４に向かって直接噴射する。噴射された水は、高温のＳｉＣ素子６４により蒸発して、加湿空間６５内の空気を加湿する。同時に、噴射された水の蒸発により気化熱が奪われるのでＳｉＣ素子６４は冷却されることになる。
【００６１】
尚、燃料電池システムに外気温度を検出する外気温センサを設け、この外気温センサで検出した外気温度が所定温度以下の場合、コンプレッサモータ用インバータ６１の電力変換効率を低下させて、ＳｉＣ素子６４の発熱量を増加させるように制御すると、低温時の加湿能力低下を緩和することができる。
【００６２】
以上説明した本実施例によれば、空気を加湿する為の熱源として燃料電池の補機または負荷装置の電力制御手段の廃熱を利用しているので、加湿のためのエネルギーを削減し、燃料電池システムの総合効率が向上するという効果がある。
【００６３】
また、本実施例によれば、空気を圧縮した熱も加湿のための熱源として利用できるため、加湿に必要なエネルギーを更に低減し燃料電池システムの効率が向上する。
【００６４】
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。
【００６５】
例えば、上記各実施例では、燃料電池の補機としてのコンプレッサ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。
【００６６】
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加湿装置の熱源として利用することができる。
【００６７】
さらに、上記実施例では、空気加湿装置に本発明を適用した例を説明したが、燃料ガスとしての水素を加湿する水素加湿装置に本発明を適用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】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。
【図２】実施例１の要部構成を説明する構成図である。
【図３】実施例２の要部構成を説明する構成図である。
【図４】実施例３の要部構成を説明する構成図である。
【図５】実施例４の要部構成を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
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
７ａ…水素加湿装置
７ｂ…空気加湿装置
８…水素排出配管
９…パージ弁
１１…コンプレッサ
１２…空気供給配管
１３…気液分離器
１４…空気排出配管
１５…空気調圧弁
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
２０…ドレーン水配管
２１…加湿用水タンク
２２…加湿用水ポンプ
２３…加湿用水配管
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
６０…コンプレッサモータ
６１…コンプレッサモータ用インバータ
６２…インジェクタ
６３…冷却装置
６４…ＳｉＣ素子
６５…加湿用空間
６６…冷却装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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