(57)【要約】【課題】水素タンク内の高圧エネルギを利用することにより、高いエネルギ効率を得ることのできる燃料電池システムおよび車両を提供する。【解決手段】水素で満たされた部分と、非圧縮性の液体である冷媒５１で満たされている部分とからなるエキスパンダ１３と、酸素を含む空気で満たされている昇圧室２３ｇと、冷媒５１で満たされている冷媒室２３ｆとからなるコンプレッサ２３と、冷媒５１で液密されている冷却系の配管３５ａ〜３５ｉと、を有し、エキスパンダ１３に導入された高圧水素の膨張により配管３５ｅを介してコンプレッサ２３の冷媒室２３ｆに冷媒５１を導入し、昇圧室２３ｇの容積を減少させることで空気を圧縮することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを貯蔵している高圧燃料ガスタンクと、前記高圧燃料ガスタンクから放出された前記燃料ガスを燃料電池のスタックに供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給流路と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路中に介設され、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、非圧縮性の液体が貯留された液体貯留部とからなる燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス供給流路上に配設され、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記液体が導入される液体導入部と、それらを仕切る仕切部材と、からなる酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置を接続し、前記液体で液密にされた接続配管と、
をさらに備え、
前記燃料ガス供給装置に導入された前記燃料ガスの膨張により前記接続配管を介して前記酸化剤ガス供給装置の前記液体導入部に液体を導入し、前記酸化剤ガス供給部の容積を減少させることで前記酸化剤ガスを圧縮する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体は、不凍性かつ非圧縮性の冷媒であり、
前記燃料電池システムの冷却に用いられる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス供給装置は、液体の流動を制御し、伝熱を促進する伝熱促進多孔部材が格納されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、燃料電池システムおよび車両の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の燃料電池システムのように、従来の燃料電池車などにおいて、燃料電池への燃料（水素）は、高圧状態で水素タンクに充填・貯蔵されている。この高圧水素が燃料電池へ供給される際、減圧弁などによって所定の圧力まで減圧された後、燃料電池へ供給されている。
一方、酸化剤ガス（空気）はエアポンプで圧縮・昇圧された後、燃料電池へ供給されるが、エアポンプの駆動に燃料電池で発電した電力を使用している。
【０００３】
また、特許文献２および特許文献３には、水素タンクに充填・貯蔵されている高圧水素の圧力エネルギを利用してタービンを回転させ、その回転エネルギを利用して、前記タービンと一軸で直結された遠心圧縮機を駆動して、空気を圧縮・昇圧する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９５５３３号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７２４６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７０７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記したように、従来の燃料電池システムでは水素タンク（高圧燃料ガスタンク）内の高圧水素を、減圧弁で減圧した後、燃料電池へ供給しているため、水素タンク内の高圧エネルギを利用せずに廃棄しており、エネルギを最大限有効に使用していない。
さらに、前記したように、エアポンプの駆動に燃料電池で発電された電力の一部を使用しているため、効率的なエネルギの利用を実現していない。
【０００６】
これに対し、特許文献２および特許文献３に記載の技術では、水素タンク内の高圧エネルギを空気の圧縮・昇圧に利用することで効率的な燃料電池システムを実現している。
【０００７】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載の技術では、タービンで高圧水素が膨張する時の温度低下、及びコンプレッサで空気が圧縮・昇圧される時の温度上昇を利用することは考慮されておらず、これら熱エネルギを廃棄している点から、水素タンク内の圧力エネルギを十分に利用しているとは言えない。さらに、特許文献２および特許文献３に記載の技術では、水素の供給量と、空気の供給量に差がある場合において、空気の供給流量を調節する手段などが考慮されていないため、燃料電池システムの全発電条件において、有効に作動させることは難しい。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、水素タンク内の高圧エネルギを利用することにより、高いエネルギ効率を得ることのできる燃料電池システムおよび車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガスを貯蔵している高圧燃料ガスタンクと、前記高圧燃料ガスタンクから放出された前記燃料ガスを燃料電池のスタックに供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給流路と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給流路中に介設され、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、非圧縮性の液体が貯留された液体貯留部とからなる燃料ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給流路上に配設され、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記液体が導入される液体導入部と、それらを仕切る仕切部材と、からなる酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置を接続し、前記液体で液密にされた接続配管と、をさらに備え、前記燃料ガス供給装置に導入された前記燃料ガスの膨張により前記接続配管を介して前記酸化剤ガス供給装置の前記液体導入部に液体を導入し、前記酸化剤ガス供給部の容積を減少させることで前記酸化剤ガスを圧縮することを特徴とする。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、水素の減圧・膨張時に発生するエネルギで酸化剤ガス（空気）を圧縮・昇圧できるので、専用モータを有するエアポンプなどを不要とすることができる。また、酸化剤供給装置において、酸化剤ガスが圧縮・昇圧された際に生じる熱を、各シリンダを構成する部材間の熱伝導に加えて、液体も介して燃料ガス供給装置へ熱輸送することができ、燃料ガスの暖気に利用することができる。さらに、仕切部材の位置を調節することで、酸化剤供給装置における酸化剤ガスのシリンダの容積を調整することができ、燃料電池システムの発電に必要な燃料ガスの供給量に対して、酸化剤ガスの供給量・圧力を適切に調節することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記液体は、不凍性かつ非圧縮性の冷媒であり、前記燃料電池システムの冷却に用いられることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、燃料ガス供給装置の動作によって、冷媒を循環させることにより、燃料ガス供給装置が冷却水循環ポンプの役割を担うことなり、別途、冷却水循環ポンプを設置することが不要となる。
【００１３】
そして、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給装置は、液体の流動を制御し、伝熱を促進する伝熱促進多孔部材が格納されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、車両の傾斜などに伴う液面の挙動を抑制できるほか、伝熱促進部材が液体の熱を蓄積し、燃料ガスの膨張時に温度低下する燃料ガスに熱を放出するため、等温膨張に近づけることができ、圧力エネルギの利用効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両である。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水素タンク内の高圧エネルギを利用することにより、高いエネルギ効率を得ることのできる燃料電池システムおよび車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】ハニカム部材の構成例を示す図である。
【図３】燃料電池システムの動作を示す図である（その１）。
【図４】燃料電池システムの動作を示す図である（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車などの車両に搭載されることを想定しているが、船舶や、自動二輪車、定置用発電装置などに搭載されてもよい。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２、アノードガス供給系（アノード系）、カソードガス供給系（カソード系）、冷却水循環系（冷却系）および加湿系を有している。
（燃料電池）
燃料電池２は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。
【００２１】
ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するアノードおよびカソードなどを備える。アノードおよびカソードは、例えば触媒がカーボンなどの触媒担体に担持された電極触媒層からなる。アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、空気（酸化剤ガス）が通流するカソード流路が形成されている。
【００２２】
このような燃料電池２では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が生じ、燃料電池２が発電可能な状態となる。
【００２３】
また、燃料電池２は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池２が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータや、バッテリ、キャパシタなどの蓄電装置などである。
【００２４】
（アノード系）
アノード系は、高圧燃料ガスタンクとしての水素タンク１１、高圧噴射装置１２、燃料ガス供給装置としてのエキスパンダ１３、排出水素タンク１４、エゼクタ用コンプレッサ１５、配管１６ａ〜１６ｆ、逆流防止弁１７ｂ〜１７ｃ、電磁弁１８、リリーフ弁１９などを有している。なお、図１においてアノード系の配管１６ａ〜１６ｆは太実線で示されている。
【００２５】
水素タンク１１には、高圧で圧縮されている水素が貯蔵されており、配管１６ａを介して高圧噴射装置１２に接続されている。なお、水素タンク１１には図示しない電磁弁が内蔵されており、車両のイグニッションスイッチがＯＮになると、この電磁弁もＯＮとなり、開弁する。
なお、水素タンク１１と、高圧噴射装置１２との間には、二次遮断弁、フィルタなどが備えられているが、ここでは図示および説明を省略する。また、配管１６ａ、高圧噴射装置１２、配管１６ｂ，１６ｃが燃料ガス供給流路となる。
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１には、水素タンク１１と、高圧噴射装置１２の間に減圧弁を備えておらず、水素タンク１１内の高圧水素は、高圧状態を保ったまま高圧噴射装置１２に供給される。
なお、配管１６ａにおいて、水素タンク１１と、高圧噴射装置１２との間には、リリーフ弁１９が設置されている。電磁弁１８の開閉制御は図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）などで行われる。
【００２６】
高圧噴射装置１２は水素を比較的高い圧力の状態で保持するものである。高圧噴射装置１２内の高圧水素は、燃料供給通路（配管１６ｂ）を介してエキスパンダ１３へ供給される。高圧噴射装置１２には、ＥＣＵ（Engine Control Unit）などによって制御される、図示しないバルブが内蔵されており、このバルブが開閉することによってエキスパンダ１３への高圧水素供給を制御している。以下、高圧噴射装置１２に内蔵されているバルブを高圧噴射装置内蔵バルブと称する。
【００２７】
エキスパンダ１３は、図２で示すような、円筒形の金属性容器内部に、複数の六角形断面をもつ中空孔１３ｚが貫通するハニカム構造を有するハニカム部材（伝熱促進多孔部材）１３ａが格納されており、非圧縮性の液体である冷媒５１が貯留されている。この中空孔１３ｚ内を冷媒５１が上下に往復移動する。また、ハニカム部材１３ａの中空孔１３ｚを介して、その壁面を利用して、水素と、冷媒５１との間の熱交換を行うものである。本実施形態では、ハニカム構造として六角形の中空孔（多孔）１３ｚが貫通している構造を有しているものとしたが、三角形や、四角形など他の多角形でもよい。また、冷媒５１は、不凍液であることが望ましい。また、ハニカム部材１３ａは、熱容量が大きく、熱伝導性の高い部材が好ましい。このようにすることで、水素と、冷媒５１との間の熱交換をさらに促進することができる。
なお、エキスパンダ１３の動作については、後記して詳述する。
エキスパンダ１３から排出された水素は、配管１６ｃを介して燃料電池２へ送られる。なお、配管１６ｃには、電磁弁１８が設置されており、エキスパンダ１３からの排出水素の供給・遮断を制御している。
ここで、本実施形態において、エキスパンダ１３およびハニカム部材１３ａは、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
【００２８】
排出水素タンク１４は、燃料電池２から排出される未反応の水素を一時的に貯蔵し、エゼクタ用コンプレッサ１５へ供給する。
エゼクタ用コンプレッサ１５は、未反応の水素を配管１６ｃに戻すことで、再び燃料電池２へ戻すものである。
エゼクタ用コンプレッサ１５には、冷媒５１が貯留されており、この冷媒５１の液面には仕切部材１５ｂがエゼクタ用コンプレッサ１５の筒体内を上下動可能に液密に配置されている。また、仕切部材１５ｂはスプリング１５ａを介してエゼクタ用コンプレッサ１５の筒体内の上面と接続している。
ここで、本実施形態において、エゼクタ用コンプレッサ１５は、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
エゼクタ用コンプレッサ１５の動作についても、後記して詳述することとする。
【００２９】
（カソード系）
カソード系は、インテーク２１、フィルタ２２、酸化剤ガス供給装置としてのコンプレッサ２３、酸化剤ガス供給流路としての配管２４ａ〜２４ｃ、逆流防止弁２５ａ，２５ｂなどを有している。なお、図１においてカソード系の配管２４ａ〜２４ｃは細実線で示されている。
インテーク２１は、外気から酸素を含む空気を取り入れるものである。フィルタ２２は、取り入れた空気に混入している異物を取り除くものである。
【００３０】
コンプレッサ２３は、シリンダ２３ａ、ピストン２３ｂ、スプリング２３ｃ、仕切部材２３ｄ，２３ｅなどを有している。仕切部材２３ｄはピストン２３ｂの下部に嵌合しており、コンプレッサ２３の下部において密閉された冷媒室（液体導入部）２３ｆを形成している。この冷媒室２３ｆは、冷媒５１で満たされている。また、仕切部材２３ｅはピストン２３ｂの上部に嵌合しており、コンプレッサ２３の上部において昇圧室（酸化剤ガス供給部）２３ｇを形成している。なお、ピストン２３ｂ、仕切部材２３ｄ，２３ｅが特許請求の範囲における仕切部材に相当する。
また、ピストン２３ｂの上部は、スプリング２３ｃを介してコンプレッサ２３の筒体内の上面と接続している。
コンプレッサ２３の動作も後記して詳述するが、コンプレッサ２３には配管２４ｂを介して空気が供給され、コンプレッサ２３から排出された空気は、配管２４ｃを介して燃料電池２へ送られ、空気中の酸素が燃料電池２において水素と反応した後、未反応の酸素を含む空気が換気装置６１を介して外気へ排出される。
なお、本実施形態における図面では、煩雑になるのを避けるためコンプレッサ２３の上下を逆に記載している。また、本実施形態では、複数のコンプレッサ２３を用いている。
ここで、本実施形態において、コンプレッサ２３は、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
【００３１】
（冷却系）
冷却系は、燃料電池システム１を冷却するものであり、サーモスタット弁３１、イオン交換器３２、ラジエータ３３、配管３５ａ〜３５ｉ、逆流防止弁３６ａ，３６ｂなどを備えている。なお、図１において冷却系の配管３５ａ〜３５ｉは太破線で示されている。また、配管３５ａ〜３５ｉのうち、配管３５ｅは、特許請求の範囲における接続配管に相当する。
サーモスタット弁３１は、例えば、内部のワックスの体積が温度で変化することにより流路の切り換えを行うものである。
イオン交換器３２は、冷媒５１中の導電率の上昇を抑制するため、容器に充填されているイオン交換樹脂で冷媒中に存在するイオンを回収するものである。
ラジエータ３３は、図示しないラジエータファンによって冷却系を循環する冷媒５１を冷却するものである。冷媒５１は、液体であり、前記したように非圧縮性の不凍液であることが望ましい。
【００３２】
配管３５ａ〜３５ｉには冷媒５１が循環している。冷媒５１は、イオン交換器３２またはラジエータ３３→エキスパンダ１３→コンプレッサ２３→エゼクタ用コンプレッサ１５→燃料電池２→イオン交換器３２またはラジエータ３３の順に循環している。
なお、後記するようにエキスパンダ１３が、冷媒５１を循環させるウォータポンプの役割を果たしているので、本実施形態に係る燃料電池システム１には、専用モータを有するウォータポンプが備えられていない。
【００３３】
（加湿系）
加湿系は、燃料電池２へ供給される空気を加湿するものであり、気液分離装置４１および加湿ポンプ４２などを有している。図１において加湿系の配管は細破線で示されている。
気液分離装置１は、例えば箱型形状のものであり、所定量の生成水（燃料電池２における反応で生成される水）が溜まると、生成水を外部へ排出する。なお、気液分離装置４１から排出される水の一部は、加湿ポンプ４２へ供給され、残りは換気装置６１を介して外部へ排出される。
加湿ポンプ４２は、気液分離装置４１から供給される生成水をコンプレッサ２３の昇圧室２３ｇへ供給するポンプであり、コンプレッサ２３へ供給された生成水は、後記するインジェクタによってコンプレッサ２３内へ噴霧され、コンプレッサ２３における空気の圧縮で生じる熱を利用して気化させ、燃料電池２へ供給される空気を加湿する。なお、図１では、アノード排出ガスのみから生成水を分離・回収する形態としているが、カソード排出ガスのみから生成水を分離・回収する形態や、アノード・カソードの各排出ガスから共に生成水を分離・回収する形態でもよい。
【００３４】
（動作の詳細な説明）
次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る燃料電池システムにおけるエキスパンダ１３、コンプレッサ２３およびエゼクタ用コンプレッサ１５の動作を詳細に説明する。なお、図３および図４において、図１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図３および図４では、エキスパンダ１３に格納されているハニカム部材１３ａを省略し、さらにコンプレッサ２３を１つに略記している。
図３および図４に示すように、エキスパンダ１３は吸気口１３ｂ、排気口１３ｃを有し、エゼクタ用コンプレッサ１５は排気口１５ｃ、吸気口１５ｄを有し、コンプレッサ２３は、吸気口２３ｈ、排気口２３ｉを有している。さらに、コンプレッサ２３は加湿ポンプ４２から送られた生成水をコンプレッサ２３内に噴霧するインジェクタ２３ｊを有している。
【００３５】
高圧噴射装置１２からの配管１６ｂはエキスパンダ１３の吸気口１３ｂに接続し、エキスパンダ１３の排気口１３ｃには配管１６ｃが接続されている。
また、配管１６ｆはエゼクタ用コンプレッサ１５の排気口１３ｂに接続し、エゼクタ用コンプレッサ１５の吸気口１５ｄには配管１６ｅが接続されている。
フィルタ２２（図１）からの配管２４ｂはコンプレッサ２３の吸気口２３ｈに接続し、コンプレッサ２３の排気口２３ｉには配管２４ｃが接続されている。
【００３６】
まず、電磁弁１８（図１）が閉じている状態（配管１６ｃの×印で表示）で、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが開くことによって、図３に示すようにエキスパンダ１３の吸気口１３ｂに高圧噴射装置１２から高圧水素が供給されると、エキスパンダ１３内で水素が膨張する。
その結果、エキスパンダ１３内の冷媒５１が押し下げられる。押し下げられた冷媒５１は、液密された配管３５ｅを通ってコンプレッサ２３の冷媒室２３ｆと、エゼクタ用コンプレッサ１５の仕切部材１５ｂより下の冷媒室に流入する。このとき、エキスパンダ１３のうち、水素で満たされている部分が燃料ガス膨張部であり、冷媒５１で満たされている部分が液体貯留部である。
【００３７】
このとき、エキスパンダ１３のシリンダ内の高圧水素は断熱膨張により温度低下を生じる。冷媒５１は、ハニカム部材１３ａ（図１）の壁面を介して熱交換することによって、結果的に、水素は加熱され、冷媒５１は冷却される。この高圧水素の膨張による温度低下を利用することで、冷媒５１を冷却することが可能となり、ラジエータ３３での熱交換量を低減できることにより、ラジエータ３３を小型化もしくは不要とすることができる。また、燃料電池２で発生した熱を水素の暖気（加湿）などに利用することができる。
さらに、燃料電池２で発生した熱を、冷媒５１と水素との間で熱交換することにより、水素をさらに膨張させることができるため、燃料電池システム１全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。
【００３８】
冷媒室２３ｆに流入した冷媒５１は、コンプレッサ２３のピストン２３ｂを押し上げる。これによって、コンプレッサ２３の昇圧室２３ｇ内の空気が圧縮される。このとき、ＥＣＵによって制御されるインジェクタ２３ｊから、生成水が昇圧室２３ｇ内に噴霧される。噴霧された生成水は、圧縮された空気の温度上昇を利用して気化し、昇圧室２３ｇ内の空気を加湿する。
【００３９】
圧縮・昇圧された空気は、排気口２３ｉから排気され、配管２４ｃ（図１）を介して燃料電池２へ供給される。このとき、コンプレッサ２３の吸入側に備えられている逆流防止弁２５ａ（図１）により、コンプレッサ２３の吸入口２３ｈから圧縮行程において空気が流入することはない。
【００４０】
さらに、エキスパンダ１３から流出した冷媒は、コンプレッサ２３の冷媒室２３ｆ、配管３５ｆ〜３５ｈ（図１）を介してエゼクタ用コンプレッサ１５における仕切部材１５ｂの下の冷媒室へ流入し、エゼクタ用コンプレッサ１５の液面（仕切部材１５ｂ）を押し上げる。これにより、エゼクタ用コンプレッサ１５に流入していた未反応の水素が排気口１５ｃから、配管１６ｆ，１６ｃ（図１）へ排出され、燃料電池２へ供給される。なお、エゼクタ用コンプレッサ１５の吸入側に備えられている逆流防止弁１７ｂ（図１）により、排出される水素が吸入口１５ｄから燃料電池２へ逆流することはない（配管１６ｅの×印で表示）。
【００４１】
エキスパンダ１３に高圧噴射装置内蔵バルブから所定量の高圧水素を導入し、その後、高圧噴射装置内蔵バルブを閉じる。そして、ＥＣＵで制御される所定時間（エキスパンダ１３における冷媒５１の液面が十分に下がった）後、配管１６ｃに設けられている電磁弁１８（図１）が開く。これにより、エキスパンダ１３内の水素が排出され、エキスパンダ１３における液面への水素の加圧力が弱まる。すると、エゼクタ用コンプレッサ１５およびコンプレッサ２３に貯留している冷媒５１の圧力も弱まるので、図４に示すようにコンプレッサ１３に備えられているスプリング２３ｃによってピストン２３ｂが押し下げられる。また、エゼクタ用コンプレッサ１５に備えられているスプリング１５ａによって冷媒の液面（仕切部材１５ｂ）が押し下げられる。ピストン２３ｂや、仕切部材１５ｂが押し下げられることで、コンプレッサ２３の冷媒室２３ｆや、エゼクタ用コンプレッサ１５に貯留されていた冷媒５１が押し出される。このとき、コンプレッサ２３の吸入口２３ｈから外気より吸入した空気が流入し、エゼクタ用コンプレッサ１５の吸入口１５ｄから排出水素タンク１４（図１）からの未反応の水素が流入する。
【００４２】
エゼクタ用コンプレッサ１５から押し出された冷媒５１は、燃料電池２へ供給されて燃料電池２を冷却した後、サーモスタット弁３１→イオン交換器３２またはラジエータ３３（図１）を経由してコンプレッサ２３に供給される。
コンプレッサ２３から押し出された冷媒５１は配管３５ｅなどを介してエキスパンダ１３に供給される。前記したように、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが閉じているので、エキスパンダ１３における液面への圧力が弱まっており、さらに、スプリング２３ｃ，１５ｃによって押圧されているため、コンプレッサ２３およびエゼクタ用コンプレッサ１５へは冷媒５１が新たに流入することはできない。従って、エキスパンダ１３に供給された冷媒５１はエキスパンダ１３内に貯留する。これにより、エキスパンダ１３における冷媒５１の液面が上昇し、エキスパンダ１３内の水素を排出口１３ｃから排出する。
なお、図４の段階において、逆流防止弁１７ｃ（図１）により、エゼクタ用コンプレッサ１５の排出口１５ｃから水素が逆流することはなく（配管１６ｆの×印で表示）、逆流防止弁２５ａ（図１）により、コンプレッサ２３の吸入口２３ｈに空気が逆流することはない（配管２４ｂの×印で表示）。
【００４３】
そして、ＥＣＵからの指示によって電磁弁１８（図１）が再び閉じられ、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが再び開くと、水素の排出が停止し、エキスパンダ１３への水素の流入が再開するので、図３の状態に戻る。
以下、燃料電池システム１は図３および図４の行程を繰り返す。
【００４４】
（まとめ）
このような構成により、エキスパンダ１３における水素の膨張時の圧力エネルギを利用して空気を圧縮することができるため、空気を燃料電池２へ供給するための専用モータを有するエアポンプを不要とし、燃料電池システム１全体のエネルギ効率を向上させることができる。
さらに、コンプレッサ２３のピストン２３ｂの長さや、仕切部材２３ｅの大きさや、スプリング２３ｃの長さや、バネ定数を調節することで、コンプレッサ２３における昇圧室２３ｇの大きさを変更することができ、水素の供給量と、空気の供給量とに差がある場合でも、簡便な作業で空気の供給量を適度な量に調節することができる。
【００４５】
さらに、エキスパンダ１３に冷媒５１を貯留しておき、水素膨張の圧力エネルギを利用して冷媒５１を循環させるため、冷媒５１を循環させるための専用モータを有するウォータポンプを不要とすることができる。
そして、エネルギの伝達手段として冷媒５１などの液体を使用することによって、水素の外部リークを防ぐことができ、また、潤滑油などを不要とすることができる。
【００４６】
また、ハニカム部材１３ａをエキスパンダ１３に格納させることにより、冷媒５１の液面の挙動を制御するとともに、冷媒５１との接触面積を大きくすることで、冷媒への熱輸送を促進させることができる。これにより、エキスパンダ１３における熱交換機能を促進させることができる。また、ハニカム部材１３ａをエキスパンダ１３に格納させることにより、車両傾斜時における液面動きを抑制することができる。
あるいは、燃料電池２で発生した熱を、冷媒５１と、水素との間で熱交換することにより、水素をさらに膨張させることができるため、燃料電池システム１全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
（変形例）
また、本実施形態では、エキスパンダ１３が１つ備えられているが、これに限らず、複数備えてもよいし、コンプレッサ２３と対応させるようにエキスパンダ１３が接続されていてもよい。あるいは、本実施形態では、図１に示すように複数のコンプレッサ２３に順番に冷媒５１を供給するようになっているが、配管３５ｅから枝分かれした配管が、それぞれのコンプレッサ２３に接続されることにより、各コンプレッサ２３に対して同時に冷媒５１が供給されるようにしてもよい。
なお、エキスパンダ１３が１つしか備えられていない場合、高圧噴射装置１２は流量調節手段としての機能を有している。この場合、高圧噴射装置１２をバルブなどの他の流量調節手段で置き換えることも可能である。
また、仕切部材１５ｂは省略可能である。
【００４８】
そして、エキスパンダ１３、コンプレッサ２３の吸入口、排気口のそれぞれにバルブを設けてもよい。このようにすることで、水素・空気の供給圧力を制御することができる。また、バルブの開閉を調節することによって、不必要なエキスパンダ１３、コンプレッサ２３を休止させることができる。
【００４９】
また、コンプレッサ２３は、例えばダイヤフラム式のポンプでもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１      燃料電池システム
２      燃料電池（スタック）
１１    水素タンク（高圧燃料ガスタンク）
１２    高圧噴射装置（燃料ガス供給流路）
１３    エキスパンダ（燃料ガス供給装置：燃料ガス導入部、液体貯留部を含む）
１３ａ  ハニカム部材（伝熱促進多孔部材）
１４    排出水素タンク
１６ａ〜１６ｆ  アノード系の配管（燃料ガス供給流路を含む）
１７ｂ〜１７ｃ  アノード系の逆流防止弁
１８    電磁弁
１９    リリーフ弁
２１    インテーク
２２    フィルタ
２３    コンプレッサ（酸化剤供給装置）
２３ａ  シリンダ
２３ｂ  ピストン（仕切部材）
２３ｃ  スプリング
２３ｄ，２３ｅ  仕切部材
２３ｆ  冷媒室（液体導入部）
２３ｇ  昇圧室（酸化剤ガス供給部）
２３ｊ  インジェクタ
２４ａ〜２４ｃ  カソード系の配管（酸化剤ガス供給流路）
２５ａ，２５ｂ  カソード系の逆流防止弁
３１    サーモスタット弁
３２    イオン交換器
３３    ラジエータ
３５ａ〜３５ｉ  冷却系の配管（接続配管を含む）
３６ａ，３６ｂ  冷却系の逆流防止弁
４１    気液分離装置
４２    加湿ポンプ
５１    冷媒
【図１】
2012109151.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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