(57)【要約】【課題】燃料電池自動車に用いられる空調システムにおいて、膨張機で膨張させた空気極排ガスを利用して充分な冷房能力を得る。【解決手段】燃料電池（７０）に膨張機（２３）を接続し、空気極オフガスを膨張機（２３）で膨張させる。膨張機（２３）の膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると共に、空気極オフガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。蒸発冷却熱交換器（１４）へは、膨張後の低温の空気極オフガスと、膨張機（２３）で生成した凝縮水とを供給する。また、蒸発冷却熱交換器（１４）へは、車室（８０）内へ供給される供給空気も導入する。蒸発冷却熱交換器（１４）では、空気極オフガスが供給空気から吸熱して温度上昇すると共に、凝縮水が供給空気から吸熱して蒸発する。そして、車室（８０）内へは、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気を送り込む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（７０）を動力源とする自動車に搭載される空調システムであって、
燃料電池（７０）へ供給される空気を圧縮する圧縮機（２０）と、
上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスを冷却して該空気極オフガス中の水分を凝縮させる凝縮予冷器（１３）と、
上記凝縮予冷器（１３）から送り込まれた空気極オフガスを膨張させて動力回収を行う膨張機（２３）と、
膨張後の空気極オフガスと膨張過程で生じた凝縮水とが上記膨張機（２３）から供給され、供給された空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して車室内への供給空気を冷却する給気冷却器（１４）と
を備えている自動車用空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
給気冷却器（１４）は、膨張機（２３）で生成した凝縮水が重力により流れ込むように該膨張機（２３）の下方に配置されている自動車用空調システム。
【請求項３】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用して圧縮機（２０）から燃料電池（７０）へ供給される空気を加湿可能となっている自動車用空調システム。
【請求項４】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）へ供給して該凝縮水の蒸発熱をも供給空気の冷却に利用可能となっている自動車用空調システム。
【請求項５】
請求項４に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を貯留する水タンク（５０）を備え、
給気冷却器（１４）で蒸発しなかった凝縮水を上記水タンク（５０）へ回収可能となっている自動車用空調システム。
【請求項６】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却している自動車用空調システム。
【請求項７】
請求項６に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっている自動車用空調システム。
【請求項８】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
膨張機（２３）から送り出された空気極オフガスの温度を計測するための温度センサ（６５）と、
上記温度センサ（６５）で計測された値が所定値以上となるように自動車用空調システムの運転を制御する制御動作を行う制御手段（６１）と
を備えている自動車用空調システム。
【請求項９】
請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、
空気極オフガスが凝縮予冷器（１３）をバイパスするように該凝縮予冷器（１３）の上流と下流を連通させると共に、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４３）を備える一方、
制御手段（６１）では、上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を調節する動作が制御動作として行われる自動車用空調システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、
制御手段（６１）では、上記凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作が制御動作として行われる自動車用空調システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、
凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、
上記凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっており、
制御手段（６１）では、上記冷却用空気に対する凝縮水の供給量を変更する動作が制御動作として行われる自動車用空調システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
空気極オフガスが膨張機（２３）をバイパスするように該膨張機（２３）の上流と下流を連通させると共に、凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４５）と、
給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を調節するために、上記凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を調節する制御手段（６３）と
を備えている自動車用空調システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
圧縮機（２０）から吐出された高圧空気が燃料電池（７０）をバイパスするように該燃料電池（７０）の上流と下流を連通させると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４１）と、
給気冷却器（１４）で所定の冷却能力が得られるように上記圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節すると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を該燃料電池（７０）に要求される発電量に応じて調節する制御手段（６２）と
を備えている自動車用空調システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
膨張機（２３）が駆動軸（２４）によって圧縮機（２０）と直結され、膨張機（２３）で回収された動力を圧縮機（２０）の駆動に利用している自動車用空調システム。
【請求項１５】
請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、
圧縮機（２１，２２）が複数設けられる一方、
第１の圧縮機（２１）は、電動機で得られた動力だけで駆動されて圧縮した空気を第２の圧縮機（２２）へ供給し、
上記第２の圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力だけで駆動されて圧縮した空気を燃料電池（７０）へ供給している自動車用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車用の空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用の動力源として燃料電池が注目されている。自動車用の燃料電池では、その小型化を図るため、酸化剤としての空気を２〜３気圧程度にまで加圧する場合が多い。このため、燃料電池の空気極からは２〜３気圧程度の空気極オフガスが排出されることになる。そして、空気極オフガスは、大気圧まで減圧されてから車外へ排出される。
【０００３】
特許文献１には、空気極オフガスの減圧に膨張機を用いることが開示されている。つまり、空気極オフガスを膨張機で膨張させることで動力回収を行い、燃料電池へ供給される空気の圧縮に回収した動力を利用して、空気の圧縮に要する動力の削減を図っている。
【０００４】
膨張機での膨張過程においては、空気極オフガスの温度が低下する。そこで、特許文献２には、膨張後の空気極オフガスを利用して、車室内の空調を行うことが開示されている。つまり、膨張機から送出された低温の空気極オフガスを車室内への供給空気と熱交換させ、この供給空気を冷却して車室内へ送ることによって車室内を冷房している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７２
【特許文献２】
特開２００１−  ３０７４２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に開示されたもののように、膨張機からの空気極オフガスを単に供給空気と熱交換させるだけでは、充分な冷房能力が得られないという問題があった。この問題点について説明する。
【０００７】
例えば、２気圧５０℃で相対湿度９０％の空気極オフガスを１気圧まで断熱膨張（等エントロピ膨張）させた場合、膨張後における空気極オフガスの温度は１０℃程度までしか低下しない。これは、膨張過程で空気極オフガス中の水蒸気が凝縮する際に凝縮熱を放出するからである。このため、冷却対象の供給空気と膨張後の空気極オフガスとの温度差をさほど大きく取れなくなり、供給空気をあまり低温まで冷却できないことから、充分な冷房能力が得られないという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池自動車に用いられる空調システムにおいて、膨張機で膨張させた空気極排ガスを利用して充分な冷房能力を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料電池（７０）を動力源とする自動車に搭載される空調システムを対象としている。そして、燃料電池（７０）へ供給される空気を圧縮する圧縮機（２０）と、上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスを冷却して該空気極オフガス中の水分を凝縮させる凝縮予冷器（１３）と、上記凝縮予冷器（１３）から送り込まれた空気極オフガスを膨張させて動力回収を行う膨張機（２３）と、膨張後の空気極オフガスと膨張過程で生じた凝縮水とが上記膨張機（２３）から供給され、供給された空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して車室内への供給空気を冷却する給気冷却器（１４）とを備えるものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、給気冷却器（１４）は、膨張機（２３）で生成した凝縮水が重力により流れ込むように該膨張機（２３）の下方に配置されるものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用して圧縮機（２０）から燃料電池（７０）へ供給される空気を加湿可能となっているものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）へ供給して該凝縮水の蒸発熱をも供給空気の冷却に利用可能となっているものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を貯留する水タンク（５０）を備え、給気冷却器（１４）で蒸発しなかった凝縮水を上記水タンク（５０）へ回収可能となっているものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却しているものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項６に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっているものである。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、膨張機（２３）から送り出された空気極オフガスの温度を計測するための温度センサ（６５）と、上記温度センサ（６５）で計測された値が所定値以上となるように自動車用空調システムの運転を制御する制御動作を行う制御手段（６１）とを備えるものである。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、空気極オフガスが凝縮予冷器（１３）をバイパスするように該凝縮予冷器（１３）の上流と下流を連通させると共に、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４３）を備える一方、制御手段（６１）では、上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を調節する動作が制御動作として行われるものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、制御手段（６１）では、上記凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作が制御動作として行われるものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、上記凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっており、制御手段（６１）では、上記冷却用空気に対する凝縮水の供給量を変更する動作が制御動作として行われるものである。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、空気極オフガスが膨張機（２３）をバイパスするように該膨張機（２３）の上流と下流を連通させると共に、凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４５）と、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を調節するために、上記凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を調節する制御手段（６３）とを備えるものである。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、圧縮機（２０）から吐出された高圧空気が燃料電池（７０）をバイパスするように該燃料電池（７０）の上流と下流を連通させると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４１）と、給気冷却器（１４）で所定の冷却能力が得られるように上記圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節すると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を該燃料電池（７０）に要求される発電量に応じて調節する制御手段（６２）とを備えるものである。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、膨張機（２３）が駆動軸（２４）によって圧縮機（２０）と直結され、膨張機（２３）で回収された動力を圧縮機（２０）の駆動に利用しているものである。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、圧縮機（２１，２２）が複数設けられる一方、第１の圧縮機（２１）は、電動機で得られた動力だけで駆動されて圧縮した空気を第２の圧縮機（２２）へ供給し、上記第２の圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力だけで駆動されて圧縮した空気を燃料電池（７０）へ供給しているものである。
【００２４】
−作用−
請求項１の発明では、燃料電池（７０）の空気側のガス通路に対し、圧縮機（２０）で圧縮された空気が供給される。この空気極側のガス通路を流れる間に、空気中の酸素が電池反応によって消費される。燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスは、凝縮予冷器（１３）へ送られて冷却される。その際、凝縮予冷器（１３）では、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。その後、空気極オフガスは、膨張機（２３）へ送られて膨張する。
【００２５】
膨張機（２３）における膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると共に、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。膨張機（２３）で生成した凝縮水は、膨張後の空気極オフガスと共に給気冷却器（１４）へ送られる。給気冷却器（１４）において、車室内への供給空気は、空気極オフガスと凝縮水の両方に対して放熱する。つまり、給気冷却器（１４）において、空気極オフガスは供給空気から吸熱して温度上昇する一方、凝縮水は供給空気から吸熱して蒸発する。そして、この発明の自動車用空調システム（１０）は、給気冷却器（１４）で冷却された供給空気を車室内へ供給し、車室内の冷房を行う。
【００２６】
請求項２の発明では、給気冷却器（１４）が膨張機（２３）の下方に配置されている。従って、膨張機（２３）で生成した凝縮水が比較的大きな水滴状になったとしても、この凝縮水は、下方に設置された給気冷却器（１４）へ向かって確実に流れ落ちる。
【００２７】
請求項３の発明では、燃料電池（７０）へ供給される空気を加湿するために、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水が利用される。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池（７０）では、供給される空気を予め加湿して電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用し、燃料電池（７０）へ供給される空気を予め加湿する。
【００２８】
請求項４の発明では、膨張機（２３）で生成した凝縮水だけでなく、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水も給気冷却器（１４）へ供給できるように自動車用空調システム（１０）が構成される。膨張機（２３）で生成した凝縮水の全てが給気冷却器（１４）で蒸発しても供給空気の温度が充分に低下しない場合には、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）へ供給し、この凝縮水の潜熱をも利用して供給空気の冷却を行うとよい。
【００２９】
請求項５の発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水が一時的に水タンク（５０）に蓄えられる。また、給気冷却器（１４）で蒸発しなかった凝縮水、即ち供給空気の冷却に必要な量に対して過剰に供給された凝縮水は、水タンク（５０）へ回収される。このように、給気冷却器（１４）で余剰となった凝縮水は、水タンク（５０）へ一旦回収され、その後に供給空気の冷却等に利用される。
【００３０】
請求項６の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。
【００３１】
請求項７の発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給できるように、自動車用空調システム（１０）が構成される。つまり、冷却空気の顕熱だけでは、凝縮予冷器（１３）において空気極オフガスを充分に冷却できない場合もある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）の空気極オフガス側で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給し、凝縮予冷器（１３）における空気極オフガスの冷却に、冷却用空気の顕熱だけでなく凝縮水の潜熱をも利用する。
【００３２】
請求項８の発明では、膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度が温度センサ（６５）によって計測される。また、制御手段（６１）は、所定の制御動作を行う。つまり、制御手段（６１）は、温度センサ（６５）で得られた計測値、即ち膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度を所定値以上に保つために、自動車用空調システム（１０）の運転を制御する。
【００３３】
請求項９の発明において、制御手段（６１）は、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）で冷却されるものの割合を減らす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）で冷却されるものの割合を増やす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３４】
請求項１０の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。この発明において、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）へ供給される冷却用空気の量を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を減らす。そうすると、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を増やす。そうすると、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３５】
請求項１１の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。また、この発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給できるように、自動車用空調システム（１０）が構成される。つまり、冷却空気の顕熱だけでは、凝縮予冷器（１３）において空気極オフガスを充分に冷却できない場合もある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）の空気極オフガス側で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給し、凝縮予冷器（１３）における空気極オフガスの冷却に、冷却用空気の顕熱だけでなく凝縮水の潜熱をも利用する。
【００３６】
この請求項１１の発明において、制御手段（６１）は、冷却用空気へ供給される凝縮水の量を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を減らす。そうすると、凝縮予冷器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が減少し、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を増やす。そうすると、凝縮予冷器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が増加し、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３７】
請求項１２の発明において、制御手段（６３）は、凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち膨張機（２３）をバイパスするものの割合を調節する動作を行う。例えば、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過多である場合、制御手段（６３）は、給気冷却器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を減らす。そうすると、給気冷却器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が上昇し、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過少である場合、制御手段（６３）は、給気冷却器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を増やす。そうすると、給気冷却器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が低下し、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００３８】
請求項１３の発明において、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節する動作を行う。例えば、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過多である場合、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を減らす。そうすると、給気冷却器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が減り、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過少である場合、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を増やす。そうすると、給気冷却器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が増え、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００３９】
更に、この請求項１３の発明において、制御手段（６２）は、高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を調節する動作を行う。つまり、車室の冷房負荷に応じて圧縮機（２０）の空気吸入量を調節すると、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な高圧空気の量に対し、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量が過剰となる場合がある。そこで、このような場合、制御手段（６２）は、バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量を増大させ、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を削減する。
【００４０】
請求項１４の発明では、膨張機（２３）と圧縮機（２０）とが駆動軸（２４）によって直結される。そして、膨張機（２３）において回収された動力は、圧縮機（２０）において空気を圧縮するための動力として利用される。
【００４１】
請求項１５の発明では、自動車用空調システム（１０）に複数の圧縮機（２１，２２）が設けられる。このうち、第１の圧縮機（２１）は、電動機だけで駆動されて空気を圧縮する。一方、第２の圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力だけで駆動される。この第２の圧縮機（２２）は、第１の圧縮機（２１）で圧縮された空気を吸入して更に圧縮する。そして、燃料電池（７０）へは、第２の圧縮機（２２）から吐出された空気が供給される。
【００４２】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
図１に示すように、本実施形態の空調システム（１０）は、燃料電池（７０）を動力源とする自動車に搭載されている。この空調システム（１０）は、燃料電池（７０）の運転に必要となる空気を利用し、いわゆるフロン冷媒等を用いずに車室（８０）内の空気調和を行う。
【００４４】
上記燃料電池（７０）は、固体高分子電解質型のものであって、多数の単電池が積層された燃料電池スタックを構成している。この燃料電池（７０）には、燃料極側ガス流路（７１）と空気極側ガス流路（７２）とが、各単電池に対応して多数形成されている。そして、燃料電池（７０）では、燃料極側ガス流路（７１）を流れる水素が単電池の燃料極（アノード）と接触し、空気極側ガス流路（７２）を流れる空気が単電池の空気極（カソード）と接触する。
【００４５】
上記燃料電池（７０）には、冷却水回路（７３）が接続されている。この冷却水回路（７３）は、燃料電池（７０）とラジエータ（７４）と循環ポンプ（７５）とが順に配置された閉回路であって、冷却水が充填されている。そして、冷却水回路（７３）で冷却水を循環させることにより、燃料電池（７０）が所定の作動温度に保たれる。
【００４６】
上記燃料電池（７０）の燃料極側ガス流路（７１）は、燃料側通路（７６）の途中に配置されている。燃料電池（７０）に対しては、この燃料側通路（７６）を通じて水素ガスが供給される。燃料側通路（７６）における燃料電池（７０）の上流側には、燃料加湿器（７７）が設けられている。この燃料加湿器（７７）は、燃料電池（７０）へ導入される水素ガスを予め加湿し、燃料電池（７０）の電解質膜を湿潤状態に保つためのものである。
【００４７】
上記燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）は、空気側通路（１１）の途中に配置されている。燃料電池（７０）に対しては、この空気側通路（１１）を通じて酸化剤としての酸素を含む空気が供給される。空気側通路（１１）における燃料電池（７０）の上流側には、圧縮機（２０）と温調加湿熱交換器（１２）とが設けられている。一方、空気側通路（１１）における燃料電池（７０）の下流側には、凝縮熱交換器（１３）と膨張機（２３）と蒸発冷却熱交換器（１４）とが設けられている。また、空気側通路（１１）には、第１バイパス通路（４１）と第２バイパス通路（４３）とが設けられている。
【００４８】
上記圧縮機（２０）は、空気を吸入して圧縮するためのものであって、ターボ式やスクロール式等の各種の流体機械で構成される。この圧縮機（２０）は、その吸入側が車外に連通すると共に、その吐出側が温調加湿熱交換器（１２）に接続されている。
【００４９】
上記温調加湿熱交換器（１２）は、圧縮機（２０）と燃料電池（７０）の間に配置されている。この温調加湿熱交換器（１２）は、燃料電池（７０）へ供給される高圧空気に対し、予め温度調節と加湿とを施すように構成されている。具体的に、温調加湿熱交換器（１２）は、例えば外気と熱交換させることによって、高圧空気の温度を調節する。また、温調加湿熱交換器（１２）は、高圧空気に水を噴霧して加湿する。
【００５０】
上記凝縮熱交換器（１３）は、燃料電池（７０）に接続されている。この凝縮熱交換器（１３）には、燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）から排出された空気極オフガスが導入される。また、この凝縮熱交換器（１３）には、冷却用ファン（３０）により取り込まれた外気が冷却用空気として送り込まれる。そして、凝縮熱交換器（１３）は、空気極オフガスと冷却用空気を熱交換させるものであって、凝縮予冷器を構成している。つまり、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気との熱交換によって空気極オフガスが冷却されると同時に、空気極オフガスに含まれる水分が凝縮して凝縮水が生成する。
【００５１】
上記膨張機（２３）は、ターボ式やスクロール式等の各種の流体機械で構成されるものであって、凝縮熱交換器（１３）の下流に配置されている。この膨張機（２３）には、凝縮熱交換器（１３）から空気極オフガスが導入される。この膨張機（２３）では、空気極オフガスが膨張して空気極オフガスの内部エネルギが回転動力として回収される。この膨張機（２３）における膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると同時に、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。
【００５２】
上記蒸発冷却熱交換器（１４）は、膨張機（２３）の下流で、且つ膨張機（２３）の下方に配置されている。この蒸発冷却熱交換器（１４）には、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスが導入される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）には、給気側通路（３５）を通じて供給空気が送り込まれる。この給気側通路（３５）については、後述する。そして、蒸発冷却熱交換器（１４）は、空気極オフガスや凝縮水と供給空気とを熱交換させ、空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して供給空気を冷却するものであって、給気冷却器を構成している。
【００５３】
上記給気側通路（３５）は、その入口端が二手に分岐されており、分岐した一方が車室（８０）内に開口し、他方が車室（８０）外に開口している。この給気側通路（３５）において、その入口端側の分岐管が合流する箇所にはダンパ（３６）が設けられている。このダンパ（３６）は、給気側通路（３５）へ取り込まれる車内空気と車外空気の割合を変更するためのものである。また、給気側通路（３５）におけるダンパ（３６）と蒸発冷却熱交換器（１４）の間には、給気用ファン（３７）が設けられている。更に、給気側通路（３５）の出口端は、車室（８０）内に開口している。
【００５４】
上記第１バイパス通路（４１）は、その一端が第１三方弁（４２）を介して燃料電池（７０）の直前に接続され、その他端が燃料電池（７０）の直後に接続されている。この第１バイパス通路（４１）の第１三方弁（４２）を操作すると、燃料電池（７０）と第１バイパス通路（４１）に対する高圧空気の分配比率が変化する。
【００５５】
上記第２バイパス通路（４３）は、その一端が第２三方弁（４４）を介して凝縮熱交換器（１３）の直前に接続され、その他端が凝縮熱交換器（１３）の直後に接続されている。この第２バイパス通路（４３）の第２三方弁（４４）を操作すると、凝縮熱交換器（１３）と第２バイパス通路（４３）に対する空気極オフガスの分配比率が変化する。
【００５６】
上記圧縮機（２０）と膨張機（２３）とは、一本の駆動軸（２４）で連結されている。また、この駆動軸（２４）には、モータ（２５）が設けられている。このモータ（２５）には、図示しないが、インバータを介して電力が供給される。そして、インバータの出力周波数を変更することにより、モータ（２５）の回転速度が可変となっている。
【００５７】
上記空調システム（１０）には、水タンク（５０）と、受水用配管（５１）と、給水用配管（５２）と、回収用配管（５８）とが更に設けられている。
【００５８】
上記受水用配管（５１）は、その入口端が空気側通路（１１）における凝縮熱交換器（１３）と膨張機（２３）の間に接続され、その出口端が水タンク（５０）に接続されている。凝縮熱交換器（１３）で生成した凝縮水は、この受水用配管（５１）を通じて水タンク（５０）へ送られる。そして、水タンク（５０）は、送り込まれた凝縮水を貯留する。
【００５９】
上記給水用配管（５２）は、その入口端が水タンク（５０）に接続されると共に、水タンク（５０）に蓄えられた凝縮水を吸い上げる給水ポンプ（５３）を備えている。また、給水用配管（５２）は、その出口端側で四つに分岐され、燃料加湿器（７７）と、温調加湿熱交換器（１２）と、冷却用空気の通路における凝縮熱交換器（１３）の上流側と、蒸発冷却熱交換器（１４）とに、それぞれ電磁弁（５４，５５，５６，５７）を介して接続されている。そして、第１電磁弁（５４）を操作することで燃料加湿器（７７）に対する凝縮水の供給量が、第２電磁弁（５５）を操作することで温調加湿熱交換器（１２）に対する凝縮水の供給量が、第３電磁弁（５６）を操作することで冷却用空気に対する凝縮水の供給量が、第４電磁弁（５７）を操作することで蒸発冷却熱交換器（１４）に対する凝縮水の供給量が、それぞれ変化する。
【００６０】
また、上記空調システム（１０）には、温度センサ（６５）とコントローラ（６０）とが設けられている。この温度センサ（６５）は、膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度を計測するためのものであって、空気側通路（１１）における膨張機（２３）の直後に設けられている。一方、コントローラ（６０）は、第１制御部（６１）と第２制御部（６２）とを備えている。
【００６１】
上記コントローラ（６０）の第１制御部（６１）には、温度センサ（６５）で得られた計測値、即ち膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が入力されている。この第１制御部（６１）は、入力された温度センサ（６５）の計測値が所定値（例えば０℃）以上となるように空調システム（１０）の運転を制御する制御手段を構成している。
【００６２】
上記第１制御部（６１）は、３つの制御動作を適宜行うことで、温度センサ（６５）の計測値を所定値以上に保つように構成されている。具体的に、第１制御部（６１）は、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）をバイパスするものの割合を第２三方弁（４４）の操作によって調節する動作を、第１の制御動作として行う。また、第１制御部（６１）は、冷却用ファン（３０）の回転速度を調節することによって凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作を、第２の制御動作として行う。また、第１制御部（６１）は、第３電磁弁（５６）の開度を調節することによって冷却空気に供給される凝縮水量を調節する動作を、第３の制御動作として行う。
【００６３】
上記コントローラ（６０）の第２制御部（６２）は、上記モータ（２５）の回転速度を調節する動作と、高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を上記第１三方弁（４２）の操作によって調節する動作とを行う制御手段を構成している。これらの第２制御部（６２）の動作は、燃料電池（７０）に要求される出力電力と、車室（８０）内の空調負荷とを考慮して行われる。
【００６４】
−運転動作−
上記空調システム（１０）の運転動作について説明する。尚、以下に示す圧力、温度、相対湿度等の値は、何れも例示である。
【００６５】
空気側通路（１１）へ取り込まれた大気圧（０．１ＭＰａ）の外気は、圧縮機（２０）へ吸入されて圧力０．２８ＭＰａにまで圧縮される。圧縮機（２０）から吐出された高圧空気は、温調加湿熱交換器（１２）へ送られる。
【００６６】
温調加湿熱交換器（１２）において、高圧空気は、外気等との熱交換を行い、その温度が燃料電池（７０）の動作に適した値（例えば８０℃程度）となる。また、温調加湿熱交換器（１２）には、給水用配管（５２）を通じて水タンク（５０）から凝縮水が供給される。温調加湿熱交換器（１２）は、供給された凝縮水を噴霧することによって高圧空気を加湿する。この温調加湿熱交換器（１２）における高圧空気の加湿は、予め高圧空気の湿度を高めて燃料電池（７０）の電解質膜を湿潤状態に保つために行われる。
【００６７】
第１三方弁（４２）が第１バイパス通路（４１）側を閉塞する状態であると仮定すると、温調加湿熱交換器（１２）で温調されて加湿された高圧空気は、その全てが燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）へ導入される。この空気極側ガス流路（７２）では、電池反応によって高圧空気中の酸素が消費される。そして、空気極側ガス流路（７２）からは、電池反応により生成した水蒸気を付与された高温高湿度の空気極オフガス、具体的には温度８０℃，相対湿度９０％以上の空気極オフガスが排出される。
【００６８】
第２三方弁（４４）が第２バイパス通路（４３）側を閉塞する状態であると仮定すると、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスは、その全てが凝縮熱交換器（１３）へ導入される。凝縮熱交換器（１３）では、冷却空気と熱交換することによって空気極オフガスが冷却され、それに伴って空気極オフガス中の水分が凝縮して凝縮水となる。その際、凝縮熱交換器（１３）へ導入される冷却用空気には、給水用配管（５２）を通って水タンク（５０）から供給された凝縮水が予め噴霧されている。このため、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気に噴霧された凝縮水が空気極オフガスから吸熱して蒸発する。つまり、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気の顕熱だけでなく、冷却用空気に噴霧された凝縮水の潜熱をも利用して、空気極オフガスの冷却が行われる。そして、この凝縮熱交換器（１３）からは、温度４０℃，相対湿度１００％の空気極オフガスが送り出される。
【００６９】
凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスは、膨張機（２３）へ流入する。膨張機（２３）では、圧力０．２８ＭＰａの空気極オフガスが圧力０．１ＭＰａまで膨張し、空気極オフガスの内部エネルギが駆動軸（２４）の回転動力に変換される。膨張機（２３）で回収された動力は、モータ（２５）で得られた動力と共に、圧縮機（２０）の駆動に用いられる。
【００７０】
この膨張機（２３）の膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると同時に、空気極オフガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。そして、膨張機（２３）からは、温度２℃，相対湿度１００％の空気極オフガスと共に、霧状あるいは細かい液滴状の凝縮水が送り出される。
【００７１】
膨張機（２３）から送出された空気極オフガスと凝縮水は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）へは、必要に応じて水タンク（５０）の凝縮水が供給される。更に、蒸発冷却熱交換器（１４）へは、車室（８０）内へ供給される供給空気が、給気側通路（３５）を通じて導入される。
【００７２】
この蒸発冷却熱交換器（１４）では、空気極オフガスが供給空気から吸熱して温度上昇すると共に、凝縮水が空気極オフガスから吸熱して蒸発する。つまり、蒸発冷却熱交換器（１４）では、空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して供給空気が冷却される。そして、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気は、車室（８０）内へ供給される。一方、供給空気から吸熱した空気極オフガスや凝縮水が蒸発して生成した水蒸気は、車外へ排出される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）で蒸発しなかった凝縮水は、回収用配管（５８）を通じて水タンク（５０）へ送り返される。
【００７３】
−コントローラの制御動作−
先ず、コントローラ（６０）の第１制御部（６１）の動作について説明する。上述のように、この第１制御部（６１）には、温度センサ（６５）で得られた計測値が入力されている。そして、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度を０℃以上に保ち、膨張機（２３）で生成した凝縮水が凍結するのを防止するため、第１〜第３の制御動作を適宜選択して、あるいは第１〜第３の制御動作を適宜組み合わせて行う。
【００７４】
上記第１制御部（６１）は、第１の制御動作を行って第２三方弁（４４）を操作し、凝縮熱交換器（１３）へ流入する空気極オフガス量と凝縮熱交換器（１３）をバイパスする空気極オフガス量とを調節する。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）で冷却されるものの割合を減らす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）で冷却されるものの割合を増やす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７５】
また、上記第１制御部（６１）は、第２の制御動作として、冷却用ファン（３０）の回転速度を調節することによって凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作を行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を減らす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を増やす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７６】
また、上記第１制御部（６１）は、第３の制御動作として、冷却用空気へ供給される凝縮水の量を調節する動作を行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を減らす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が減少し、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を増やす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が増加し、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７７】
このように、第１制御部（６１）が所定の制御動作を行うと、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が変化し、膨張機（２３）で生成した凝縮水の凍結が回避される。ここで、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が変化すると、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される空気極オフガスの温度も変化し、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が変化する。従って、この第１制御部（６１）の制御動作により、冷房能力を調節することも可能である。
【００７８】
次に、コントローラ（６０）の第２制御部（６２）の動作について説明する。
【００７９】
この第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節するために、インバータの出力周波数を操作してモータ（２５）の回転速度を調節する動作を行う。例えば、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過多である場合、第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を減らす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が減り、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち冷房能力が減少する。ただし、この場合、圧縮機（２０）の空気吸入量は、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な空気量以上に保っておかなければならない。また、これとは逆に蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過少である場合、第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を増やす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が増え、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち冷房能力が増加する。
【００８０】
また、この第２制御部（６２）は、第１三方弁（４２）を操作し、燃料電池（７０）へ流入する高圧空気の量と第１バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量とを調節する。つまり、車室（８０）の冷房負荷に応じて圧縮機（２０）の空気吸入量を調節すると、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な高圧空気の量に対し、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量が過剰となる場合がある。そこで、このような場合、第２制御部（６２）は、第１バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量を増大させ、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を削減する。
【００８１】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、蒸発冷却熱交換器（１４）における供給空気の冷却に、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスの顕熱だけでなく、膨張機（２３）で生成した凝縮水の潜熱をも利用することができる。このため、供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用する場合に比べ、蒸発冷却熱交換器（１４）における供給空気の放熱量を増大させることができる。従って、本実施形態によれば、従来に比べて空調システム（１０）の冷房能力を増大させることができる。
【００８２】
この点について、図２の空気線図を参照しながら説明する。ここでは、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される空気極オフガスの状態を、点Ａの状態（温度２℃，相対湿度１００％）とし、この空気極オフガスが２６℃の供給空気と熱交換して２１℃まで温度上昇すると仮定して説明する。
【００８３】
供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用した場合、蒸発冷却熱交換器（１４）の出口における空気極オフガスの状態は、点Ｂ’の状態（温度２１℃，相対湿度３０％）となる。そして、この場合に得られる冷房能力は、点Ｂ’と点Ａの比エンタルピ差Ｑ１に空気極オフガスの質量流量を乗じた値となる。
【００８４】
これに対し、供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用した場合、蒸発冷却熱交換器（１４）の出口における空気極オフガスの状態は、点Ｂの状態（温度２１℃，相対湿度９５％）となる。そして、この場合に得られる冷房能力は、点Ｂと点Ａの比エンタルピ差Ｑ２に空気極オフガスの質量流量を乗じた値となる。このように、本実施形態によれば、蒸発冷却熱交換器（１４）の出入口におけるエンタルピ差を増大させることができ、空調システム（１０）の冷房能力を増大させることが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態では、蒸発冷却熱交換器（１４）を膨張機（２３）の下方に配置しているため、膨張機（２３）で生成した凝縮水を確実に給気冷却器へ送り込むことが可能となる。従って、本実施形態によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水の蒸発熱を確実に蒸発冷却熱交換器（１４）での供給空気の冷却に利用することができ、空調システム（１０）の冷房能力を十分に発揮させることができる。
【００８６】
また、本実施形態によれば、コントローラ（６０）の第１制御部（６１）が行う制御動作によって、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を確実に所定値以上に保つことが可能となる。ここで、空調システム（１０）の運転状態によっては、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度がかなりの低温（例えば−１０℃程度）となる場合もある。そして、このような場合、膨張機（２３）における膨張過程で生成した凝縮水が凍結し、これにより空気極オフガスの流通が妨げられて空調システム（１０）の運転に支障を来すおそれがある。これに対し、本実施形態によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、凝縮水の凍結による問題が生じない程度に保持することが可能となる。従って、本実施形態によれば、空調システム（１０）の運転を確実に継続させることが可能となる。
【００８７】
また、本実施形態によれば、コントローラ（６０）の第２制御部（６２）が行う制御動作によって、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を調節することができる。従って、本実施形態によれば、例えば燃料電池（７０）の運転が部分負荷状態であって燃料電池（７０）へ供給すべき高圧空気の量が少ない状態においても、空調システム（１０）が発揮する冷房能力を充分に確保できる。
【００８８】
−実施形態１の変形例−
上述のように、本実施形態では、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度を０℃以上に保って凝縮水が凍結しないようにしているが、どんな場合も凝縮水の凍結を必ず回避しなければならないという訳ではない。つまり、凝縮水が凍結したとしても、凍結により生じた氷が雪状の細かい粒子であれば、この粒子状の氷は空気極オフガスと共に流動し得る。このため、膨張機（２３）の構造や運転条件等によっては、凝縮水が多少凍結しても空調システム（１０）の運転を継続できる場合もある。従って、このような場合には、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度の下限値を０℃よりも低くし、空調システム（１０）の運転を継続可能な範囲で凝縮水の凍結を許容してもよい。
【００８９】
また、本実施形態では、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気を車室（８０）内へ供給して冷房を行っているが、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスと熱交換した冷却用空気を利用して暖房を行うことも可能である。つまり、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気に代えて、凝縮熱交換器（１３）で加熱された冷却用空気を車室（８０）内へ導き、車室（８０）内を暖房してもよい。
【００９０】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、上記実施形態１において、空気側通路（１１）に第３バイパス通路（４５）を追加すると共に、コントローラ（６０）に第３制御部（６３）を追加したものである。ここでは、本実施形態について、上記実施形態１と異なる点を説明する。
【００９１】
図３に示すように、上記第３バイパス通路（４５）は、その一端が膨張機（２３）の直前に接続され、その他端が膨張機（２３）の直後に接続されている。この第３バイパス通路（４５）には、開度可変の調節弁（４６）が設けられている。この調節弁（４６）は、凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスのうち第３バイパス通路（４５）へ流入するものの割合を調節すると共に、空気極オフガスを絞り膨張（等エンタルピ膨張）させるためのものである。
【００９２】
一方、コントローラ（６０）の第３制御部（６３）は、凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスのうち第３バイパス通路（４５）へ流入するものの割合を、調節弁（４６）の開度制御によって調節する制御手段を構成している。この第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち空調システム（１０）の冷房能力を調節するために、調節弁（４６）の開度操作を行う。
【００９３】
例えば、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過多である場合、第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を減らす。そうすると、第３バイパス通路（４５）を通過する際に空気極オフガスの温度は殆ど変化しないため、蒸発冷却熱交換器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が上昇し、蒸発冷却熱交換器（１４）得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過少である場合、第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を増やす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が低下し、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００９４】
【発明の実施の形態３】
本発明の実施形態３は、上記実施形態１において、空気側通路（１１）に２台の圧縮機（２１，２２）を設けたものである。ここでは、本実施形態について、上記実施形態１と異なる点を説明する。
【００９５】
図４に示すように、本実施形態の空気側通路（１１）では、第１圧縮機（２１）と第２圧縮機（２２）とが直列に配置されている。第１圧縮機（２１）は、モータ（２５）と連結されている。このモータ（２５）には、上記実施形態１の場合と同様、図外のインバータを介して電力が供給される。そして、この第１圧縮機（２１）は、モータ（２５）のみによって駆動され、車外から外気を吸入して圧縮する。一方、第２圧縮機（２２）は、駆動軸（２４）を介して膨張機（２３）と連結されている。この第２圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力のみによって駆動され、第１圧縮機（２１）から吐出された空気を吸入して更に圧縮する。燃料電池（７０）に対しては、第２圧縮機（２２）から吐出された高圧空気が供給される。
【００９６】
【発明の効果】
本発明によれば、給気冷却器（１４）における供給空気の冷却に、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスの顕熱だけでなく、膨張機（２３）で生成した凝縮水の潜熱をも利用することができる。このため、供給空気を冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用する場合に比べ、給気冷却器（１４）における供給空気の放熱量を増大させることができる。従って、本発明によれば、従来に比べて自動車用空調システム（１０）の冷房能力を増大させることができる。
【００９７】
請求項２の発明によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水を確実に給気冷却器（１４）へ送り込むことが可能となる。従って、この発明によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水の蒸発熱を確実に給気冷却器（１４）での供給空気の冷却に利用することができ、自動車用空調システム（１０）の冷房能力を十分に発揮させることができる。
【００９８】
請求項３乃至５及び請求項７の各発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を燃料電池（７０）や空気調和システムの運転に有効利用できる。特に、請求項４の発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）における供給空気の冷却に利用することが可能となる。また、請求項５及び７の各発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用して、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度を低く保つことができ、膨張後の空気極オフガスを低温に保持できる。従って、請求項４，５及び７の各発明によれば、空気調和システムの冷房能力を充分に確保するために、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用できる。
【００９９】
請求項８乃至１１の各発明によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、制御手段（６１）の制御動作によって確実に所定値以上に保つことが可能となる。ここで、自動車用空調システム（１０）の運転状態によっては、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度がかなりの低温（例えば−１０℃程度）となる場合もある。そして、このような場合、膨張機（２３）における膨張過程で生成した凝縮水が凍結して大きな固まりとなり、これにより空気極オフガスの流通が妨げられて自動車用空調システム（１０）の運転に支障を来すおそれがある。これに対し、上記の各発明によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、凝縮水の凍結による問題が生じない程度に保持することが可能となる。従って、これらの発明によれば、自動車用空調システム（１０）の運転を確実に継続させることが可能となる。
【０１００】
請求項１２の発明によれば、自動車用空調システム（１０）が発揮する冷房能力を、制御手段（６３）の動作によって的確に調節することができる。従って、本発明によれば、車室の冷房負荷に応じて自動車用空調システム（１０）の冷房能力を調節でき、車室の快適性を一層向上させることができる。
【０１０１】
請求項１３の発明によれば、制御手段（６２）が所定の動作を行うことにより、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を調節することができる。従って、この発明によれば、例えば燃料電池（７０）の運転が部分負荷状態であって燃料電池（７０）へ供給すべき高圧空気の量が少ない状態においても、自動車用空調システム（１０）が発揮する冷房能力を充分に確保できる。
【０１０２】
請求項１４及び１５の発明によれば、膨張機（２３）で回収された動力を圧縮機（２０）の駆動に利用することができる。従って、これらの発明によれば、空気を圧縮するために外部から供給すべきエネルギを削減でき、自動車用空調システム（１０）の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における空調システムの概略構成図である。
【図２】実施形態１の効果を説明するための空気線図である。
【図３】実施形態２における空調システムの概略構成図である。
【図４】実施形態３における空調システムの概略構成図である。
【符号の説明】
（１３）  凝縮熱交換器（凝縮予冷器）
（１４）  蒸発冷却熱交換器（給気冷却器）
（２０）  圧縮機
（２１）  第１圧縮機（第１の圧縮機）
（２２）  第２圧縮機（第２の圧縮機）
（２３）  膨張機
（４１）  第１バイパス通路（バイパス通路）
（４３）  第２バイパス通路（バイパス通路）
（４５）  第３バイパス通路（バイパス通路）
（５０）  水タンク
（６１）  第１制御部（制御手段）
（６２）  第２制御部（制御手段）
（６３）  第３制御部（制御手段）
（６５）  温度センサ
（７０）  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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