燃料電池システムおよび車両
【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】水素タンク１１から放出された高圧水素の膨張によりピストン１３ｂを押圧するエキスパンダ１３と、このエキスパンダ１３の押圧によりピストン２３ｂを押圧して、空気を圧縮するコンプレッサ２３を有し、エキスパンダ１３と、コンプレッサ２３は、クランクシャフト５１を介して互いに接続していることを特徴とする。また、クランクシャフト５１には、ウォータポンプ３４などの補機が接続されている。
【解決手段】水素タンク１１から放出された高圧水素の膨張によりピストン１３ｂを押圧するエキスパンダ１３と、このエキスパンダ１３の押圧によりピストン２３ｂを押圧して、空気を圧縮するコンプレッサ２３を有し、エキスパンダ１３と、コンプレッサ２３は、クランクシャフト５１を介して互いに接続していることを特徴とする。また、クランクシャフト５１には、ウォータポンプ３４などの補機が接続されている。
【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、エアポンプは、直結された専用のモータに燃料電池で発電した電力を供給して、駆動している。
【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の駆動力を他の補機の駆動や、燃料電池システムの冷却システムなどに対して利用することは考慮されておらず、水素タンク内の高圧エネルギを十分に利用していない。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、高圧燃料ガス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、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燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池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、少なくとも２気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型（レシプロ）膨張圧縮機をさらに備えており、前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されてい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空気を圧縮・昇圧できるので、エアポンプなどを不要とすることができる。また、燃料ガスの膨張による温度低下、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を、レシプロ型の往復動容積型膨張圧縮機のシリンダブロックなどの筐体を介して燃料ガス用シリンダ、酸化剤ガス用シリンダに伝達することにより、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を利用した燃料ガスの暖気、燃料ガスの膨張による温度低下を利用した酸化剤ガスの冷却を相互作用で行うことが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明では、前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、水素膨張仕事が空気圧縮仕事を上回り、余剰エネルギが発生する場合でも、余剰エネルギを回収し、他の補機駆動に有効利用することができる。
【００１３】
そして、請求項３に係る発明では、少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筺体内には、冷却水用通路が設けられ、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環し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、膨張した低温水素と、圧縮・昇圧された高温空気が筐体を通し熱交換するのに加えて、冷却水で温度制御されるため、それぞれの温度制御用熱交換器を不要とすることができる。
【００１５】
また、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に係る発明に寄れば、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、高圧燃料ガス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】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その１）。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その２）。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その３）。
【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である水素タンク１１、高圧噴射装置１２、燃料ガス用シリンダ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は太い実線で示されている。ここで、配管１６ａ〜１６ｃおよび高圧噴射装置１２が燃料ガス供給流路となる。
【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、開弁する。
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。
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。
【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、レシプロエンジンと同様に、シリンダ１３ａ、ピストン１３ｂ、コンロッド１３ｃ、バルブ１３ｄなどで構成されており、ガソリンエンジンなど、既存のレシプロエンジンを流用することも可能である。エキスパンダ１３は、クランクシャフト５１を介してコンプレッサ２３と連動している。エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３の動作は、後記して詳述する。
【００２８】
バルブ１３ｄは、エキスパンダ１３の上部（上死点側）に設置されており、カムシャフトおよびカム１７の動作に応じて開閉することで、シリンダ１３ａ内の水素を配管１６ｃを介して燃料電池２に導く。カムシャフトおよびカム１７は、既存のレシプロエンジンに備えられているものを使用してもよい。なお、バルブ１３ｄは、電磁弁などの開閉制御可能なバルブを用いてもよい。このようにすることで、コストダウンを図ることができる。
【００２９】
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へ戻すものであり、エキスパンダ１３と同様の構成を有している。なお、図１では、エキスパンダ１３と比べて、エゼクタ用コンプレッサ１５が小さく記述されているが、エキスパンダ１３と同じ大きさでもよい。
エゼクタ用コンプレッサ１５も、エキスパンダ１３と同様にシリンダ１５ａ、ピストン１５ｂ、コンロッド１５ｃ、吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅなどを有している。ピストン１５ｂは、コンロッド１５ｃ、クランクシャフト５１を介して、エキスパンダ１３と連動するように構成されている。
詳細な動作は後記するが、エゼクタ用コンプレッサ１５は、シリンダ１５ａ内へ排出水素タンク１４から水素を吸入した後、エキスパンダ１３の動作と連動することによって、水素を配管１６ｃへ排出する。なお、エゼクタ用コンプレッサ１５における水素の吸入・排出は、エゼクタ用コンプレッサ１５の上部に備えられている吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅによって行われるが、この吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅはエキスパンダ１３のカム１７と連動してもよいし、エキスパンダ１３のバルブ１３ｄとは独立して動作してもよい。
【００３０】
（カソード系）
カソード系は、インテーク２１、フィルタ２２、酸化剤ガス用シリンダ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は細い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。
【００３１】
コンプレッサ２３は、エキスパンダ１３と同様の構成を有しており、シリンダ２３ａ、ピストン２３ｂ、コンロッド２３ｃ、吸入用バルブ２３ｄ、排気用バルブ２３ｅなどを有しており、エキスパンダ１３と同様に既存のレシプロエンジンを流用することが可能である。コンロッド２３ｃがクランクシャフト５１を介してエキスパンダ１３に接続されることで、コンプレッサ２３はエキスパンダ１３と連動している。吸入用バルブ２３ｄおよび排気用バルブ２３ｅは、カムシャフトおよびカム２５と連動している。
エキスパンダ１３のピストン１３ｂが押し下げられると、この力がコンロッド１３ｃ、クランクシャフト５１およびコンロッド２３ｃを介して、コンプレッサ２３のピストン２３ｂを押し上げ、シリンダ２３ａ内の空気が圧縮される。圧縮された空気は排気用バルブ２３ｅから燃料電池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、コンプレッサ２３における動作についての詳細も後記して説明する。
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。
【００３２】
なお、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３を含む装置を往復動容積型膨張圧縮機と称することがある。
【００３３】
（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、ウォータポンプ３４、配管３５ａ〜３５ｆなどを備えている。なお、図１において冷却系の配管３５ａ〜３５ｆは太い破線で示されている。
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を放熱するものである。
【００３４】
ウォータポンプ３４は、冷媒を循環させるためのポンプである。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１では、ウォータポンプ３４がクランクシャフト５１に接続されることで、エキスパンダ１３で発生する運動エネルギを利用することができ、燃料電池システム１のエネルギ効率の向上を可能にしている。
【００３５】
本実施形態における冷却系には、サーモスタット弁３１→イオン交換器３２→ウォータポンプ３４の順に循環する経路と、サーモスタット弁３１→コンプレッサ２３の筐体内流路→エキスパンダ１３の筐体内流路→ウォータポンプ３４の順に循環する経路とを有している。後記して詳細を説明するが、コンプレッサ２３・エキスパンダ１３を経由して循環する冷媒はコンプレッサ２３での空気の圧縮による温度の上昇や、エキスパンダ１３での水素の膨張による温度の低下を利用して、冷媒の温度を制御することができる。
なお、本実施形態では、冷媒をエキスパンダ１３と、コンプレッサ２３の双方を循環させているが、これに限らず、エキスパンダ１３のみを循環させてもよい。
【００３６】
（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い破線で示されている。
気液分離装置４１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（シリンダ内）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、本実施形態では、加湿ポンプ４２はモータによって作動しているものとしているが、クランクシャフト５１のエネルギを利用して作動してもよい。また、図１記載の実施例では、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。
【００３７】
（その他）
なお、クランクシャフト５１には、前記したウォータポンプ３４の他に、車輪に接続されているクラッチ５２も接続されており、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３で生じる運動エネルギを車輪の駆動にも利用することで、燃料電池システム１のエネルギ効率のさらなる向上を図ることができる。特に、ウォータポンプ３４や、車輪はクランクシャフト５１に直結した状態であり、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３で生じる運動エネルギを直接利用することができる。なお、他の補機をクランクシャフト５１に直結させてもよい。
特許文献２や特許文献３で開示されているタービンでは、余剰エネルギを、補機の駆動に利用することが困難であるが、本実施形態のようにレシプロエンジンを利用した形態では、余剰エネルギをクランクシャフト軸端から取り出すことができるため、補機や車輪の駆動などを行うことが可能となる。
【００３８】
（アノード系・カソード系における動作の詳細な説明）
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るアノード系・カソード系における動作を詳細に説明する。空気の圧縮による温度の上昇や、水素の膨張による温度の低下については後記する冷却系の詳細な説明において記載する。なお、図２〜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２〜図４において、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３のそれぞれを１つに略記している。
【００３９】
ここで、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１３ｅに接続し、エキスパンダ１３の排気口１３ｆにはバルブ１３ｄが設けられた配管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の排気用バルブ１５ｅが設けられた排気口１５ｆに接続し、エゼクタ用コンプレッサ１５の吸気口１５ｇには吸気用バルブ１５ｄが設けられた配管１６ｆが接続されている。
フィルタ２２（図１）からの、吸気用バルブ２３ｄが設けられた配管２４ｂはコンプレッサ２３の吸気口２３ｇに接続し、コンプレッサ２３の排気用バルブ２３ｅが設けられた排気口２３ｈには配管２４ｃが接続されている。
【００４０】
エキスパンダ１３のバルブ１３ｄが閉じている状態で、ＥＣＵからの指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り、吸気口１３ｅを介して高圧噴射装置１１から供給された高圧水素は膨張することにより、エキスパンダ１３のシリンダ１３ａ内でピストン１３ｂを押し下げ、その力がコンロッド１３ｃ、クランクシャフト５１およびコンロッド２３ｃを介してコンプレッサ２３に駆動力が伝達される。これにより、コンプレッサ２３のピストン２３ｂが上昇してコンプレッサ２３のシリンダ２３ａ内の空気を圧縮する。このとき、図示しないＥＣＵの指示により加湿ポンプ４２に接続されているインジェクタ２３ｆから生成水が噴霧され、噴霧された生成水は空気が圧縮された際の熱によって気化し、シリンダ２３ａ内の空気を加湿する。なお、インジェクタ２３ｆは、一般的なガソリンエンジンなどで用いられているインジェクタを利用してもよい。また、生成水の噴霧のタイミングは、空気が圧縮されたタイミングに限らず、その他のタイミングで噴霧されてもよい。
【００４１】
このとき、エゼクタ用コンプレッサ１５のピストン１５ｂも同様に押し上げられ、図示しないＥＣＵの指示により排出用バルブ１５ｅが開いて、排気口１５ｆを介してシリンダ１５ａ内の水素（燃料電池２で反応しなかった水素）が配管１６ｆへ排出され、燃料電池２へ送られる。
【００４２】
なお、前記したように、このとき生じた回転力はクランクシャフト５１を介して、ウォータポンプ３４などの補機や、車輪の駆動などに利用することができる。つまり、空気圧縮以外の動力源として使用することができる。
【００４３】
次に、図３に示すように、図示しないＥＣＵの指示によりコンプレッサ２３の排気用バルブ２３ｅが開き、圧縮された空気が配管２３ｈを介して配管２４ｃへ排出され、燃料電池２へ供給される。
【００４４】
そして、ＥＣＵの指示で図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが閉じると、エキスパンダ１３への水素の流入が停止し、図４に示すように、図２における動作の慣性でコンプレッサ２３のピストン２３ｂが押し下げられ、エキスパンダ１３のシリンダ１３ｂは押し上げられる。
このとき、図示しないＥＣＵの指示によりコンプレッサ２３の吸気バルブ２３ｄが開いて、配管２４ｂを通って外気から供給される空気が、吸入口２３ｇを介してシリンダ２３ａ内に流入すると同時に、エキスパンダ１３のバルブ１３ｄが開き、排気口１３ｆを介してエキスパンダ１３内の水素が配管１６ｃへ排出され、燃料電池２へ供給される。
このときの慣性力は、エキスパンダ１３・コンプレッサ２３の外部に備えられている図示しないフライホイールによって生じさせてもよいし、エキスパンダ１３を多気筒化し、高圧水素供給の位相をずらすことなどによって、他のエキスパンダ１３のエネルギを利用するようにしてもよい。
【００４５】
このとき、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３の各気筒における圧縮・膨張行程の位相を１２０°ずつずらすと良好な動作を得ることができる。つまり、コンプレッサ２３側について１２０°ずつ、エキスパンダ１３側について１２０°ずつずらすと、連続的な動作を得ることができる。
【００４６】
このとき、エゼクタ用コンプレッサ１５のピストン１５ｂも押し下げられ、図示しないＥＣＵの指示により吸入用バルブ１５ｄが開いて、燃料電池２において反応しなかった水素が排出水素タンク１４から配管１６ｅを通って、吸入口１５ｇを介してシリンダ１５ａ内に流入する。
【００４７】
そして、行程は図２の行程にもどり、以下図２〜図４の行程が繰り返される。
なお、本実施形態では、エゼクタ用コンプレッサ１５の動作において、エキスパンダ１３が水素を排出するときに、水素をシリンダ１５ａ内に流入させ、エキスパンダ１３が水素をシリンダ１３ａに吸入するときに、水素を排出するようにしたが、これに限らない。しかしながら、エキスパンダ１３から排出された水素と、エゼクタ用コンプレッサ１５から排出された水素とが配管１６ｃ（図１）内で干渉しないようなタイミングで動作することが望ましい。
【００４８】
（冷却系における動作の詳細な説明）
次に、再び図２を参照して、本実施形態に係る冷却系の動作について詳細に説明する。
図２におけるコンプレッサ２３での空気の圧縮により、空気の温度が上昇する。コンプレッサ２３には、前記したように配管３５ｅ内を冷媒が流れているが、圧縮による温度上昇にともない、この冷媒の温度も上昇する。
一方、前記したようにエキスパンダ１３内にも配管３５ｅ内を通じて冷媒が流れているが、この冷媒はコンプレッサ２３内を通過した冷媒であり、温度が高い状態となっている。エキスパンダ１３内における水素の温度は膨張によって低下するが、温度の高くなっている冷媒によって温度が高くなる。これにより、水素を暖めることができる。暖められた水素は、さらに膨張するので、コンプレッサ２３へ伝達する動力を増加させることができ、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。
逆に、冷媒は、水素に温度を与えることによって温度が低下し、その状態で燃料電池２へ送られることにより、燃料電池２の冷却を行うことになる。
【００４９】
このように、膨張した水素と圧縮された空気との間で熱交換することにより、本実施形態における燃料電池システム１は、アノード系およびカソード系それぞれにおける温度制御用熱交換器が不要となり、また、ラジエータ３３を小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、ラジエータ３３を、燃料電池２とコンプレッサ２３との間に配置しているが、これに限らず、例えばウォータポンプ３４の排出側と、燃料電池２との間に配置してもよい。このようにすることで、エキスパンダ１３で冷却された冷却水を、ラジエータ３３でさらに冷却することができ、効率的な冷却が可能となる。
【００５１】
また、本実施形態では、クランクシャフト５１がウォータポンプ３４や、クラッチ５２を介して車輪に接続されているが、これに限らず、オルタネータ、潤滑油循環ポンプ、燃料昇圧ポンプ、カム駆動用チェーンなどの補機や、駆動用のモータなどに接続されていてもよい。
【００５２】
さらに、エキスパンダ１３、コンプレッサ２３に設置されている各バルブ１３ｄ，２３ｄ，２３ｅの開閉タイミングを図示しない制御装置によって制御してもよい。このようにすることで、水素や、酸素の供給圧力を変化させたり、燃料電池２が停止した後の酸素拡散を制限することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、エキスパンダ１３に高圧水素が供給されると、コンプレッサ２３の空気が圧縮される構成となっているが、エキスパンダ１３に高圧水素が供給されると、コンプレッサ２３のピストン２３ｂが下がり、空気が導入されるようにクランクシャフト５１の形状を調節してもよい。つまり、エキスパンダ１３への高圧水素の供給と、コンプレッサ２３への空気の導入が同期するようにクランクシャフト５１の形状を調節してもよい。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、高圧水素を膨張させるエネルギで空気を圧縮するため、水素タンク１１における圧力エネルギを空気の圧縮に利用することによって、燃料電池システム１のエネルギ効率を向上させることができる。
また、燃料ガスである水素の膨張による温度低下、酸化剤ガスである空気の圧縮による温度上昇を、コンロッド１３ｃ、２３ｃ、クランクシャフト５１（つまり、往復動容積型エンジンの筐体）を介してエキスパンダ１３、コンプレッサ２３に伝えることができ、空気の圧縮による温度上昇を利用した水素の暖気、水素の膨張による温度低下を利用した空気の冷却を行うことが可能となる。これは、膨張・圧縮の概念がない特許文献１および特許文献２に記載のタービンから導出することのできない効果である。
【００５５】
また、エキスパンダ１３・コンプレッサ２３と接続しているクランクシャフト５１に、車輪や、ウォータポンプ３４などの補機を接続することにより、水素タンク１１における圧力エネルギを、車輪や、補機などの駆動に利用することができ、燃料電池システム１のエネルギ効率をさらに向上させることができる。つまり、水素タンク１１における圧力エネルギから生じる動力を、空気圧縮以外の動力源とすることができる。
冷却系の冷媒をエキスパンダ１３の筐体内流路に通過させることにより、水素が膨張したときの温度低下を燃料電池システム１の冷却に利用することができ、ラジエータ３３などの温度制御用熱交換器を小型化もしくは不要とすることができる。
このように、専用モータをもつエアポンプを不要とすることで、エアポンプを駆動・制御する装置も不要となり、更に、ラジエータ３３を小型化もしくは不要とすることで、コストダウン、車体の軽量化・小型化が可能となる。
また、既存のレシプロエンジンを利用することで、不要となったレシプロエンジンのリサイクルが可能となり、さらなるコストダウンを図ることもできる。
さらに、既存のレシプロエンジンは、アルミニウム鋳物であるが、アルミニウムは軽量で、加工が容易である上、水素脆化にも強いため、車両の軽量化や、コストダウンをさらに図ることができる。
【００５６】
また、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３における水素・空気の流入をバルブ１３ｄ，２３ｄ、２３ｅで制御することにより、燃料電池２が停止したとき、このバルブ１３ｄ，２３ｄ、２３ｅを閉じることで水素・空気の供給を停止することができる。従って、燃料電池２の停止時における水素・空気の供給停止のための制御が不要となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
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（往復動容積型膨張圧縮機、燃料ガス用シリンダ）
１３ａ エキスパンダのシリンダ
１３ｂ エキスパンダのピストン
１３ｃ エキスパンダのコンロッド
１３ｄ エキスパンダのバルブ
１４ 排出水素タンク
１５ エゼクタ用コンプレッサ
１５ａ エゼクタ用コンプレッサのシリンダ
１５ｂ エゼクタ用コンプレッサのピストン
１５ｃ エゼクタ用コンプレッサのコンロッド
１５ｄ エゼクタ用コンプレッサの排出用バルブ
１５ｅ エゼクタ用コンプレッサの吸入用バルブ
１６ａ〜１６ｆ アノード系の配管（燃料ガス供給流路を含む）
１７，２５ カム
１９ リリーフ弁
２１ インテーク
２２ フィルタ
２３ コンプレッサ（往復動容積型膨張圧縮機、酸化剤ガス用シリンダ）
２３ａ コンプレッサのシリンダ
２３ｂ コンプレッサのピストン
２３ｃ コンプレッサのコンロッド
２３ｄ コンプレッサの吸入用バルブ
２３ｅ コンプレッサの排出用バルブ
２３ｆ 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）
３１ サーモスタット弁
３２ イオン交換器
３３ ラジエータ
３４ ウォータポンプ
３５ａ〜３５ｂ 冷却系の配管
４１ 気液分離装置
４２ 加湿ポンプ
５１ クランクシャフト
５２ クラッチ
６１ 換気装置
【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、エアポンプは、直結された専用のモータに燃料電池で発電した電力を供給して、駆動している。
【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の駆動力を他の補機の駆動や、燃料電池システムの冷却システムなどに対して利用することは考慮されておらず、水素タンク内の高圧エネルギを十分に利用していない。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、高圧燃料ガス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、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燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池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、少なくとも２気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型（レシプロ）膨張圧縮機をさらに備えており、前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されてい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空気を圧縮・昇圧できるので、エアポンプなどを不要とすることができる。また、燃料ガスの膨張による温度低下、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を、レシプロ型の往復動容積型膨張圧縮機のシリンダブロックなどの筐体を介して燃料ガス用シリンダ、酸化剤ガス用シリンダに伝達することにより、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を利用した燃料ガスの暖気、燃料ガスの膨張による温度低下を利用した酸化剤ガスの冷却を相互作用で行うことが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明では、前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、水素膨張仕事が空気圧縮仕事を上回り、余剰エネルギが発生する場合でも、余剰エネルギを回収し、他の補機駆動に有効利用することができる。
【００１３】
そして、請求項３に係る発明では、少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筺体内には、冷却水用通路が設けられ、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環し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、膨張した低温水素と、圧縮・昇圧された高温空気が筐体を通し熱交換するのに加えて、冷却水で温度制御されるため、それぞれの温度制御用熱交換器を不要とすることができる。
【００１５】
また、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に係る発明に寄れば、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、高圧燃料ガス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】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その１）。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その２）。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である（その３）。
【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である水素タンク１１、高圧噴射装置１２、燃料ガス用シリンダ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は太い実線で示されている。ここで、配管１６ａ〜１６ｃおよび高圧噴射装置１２が燃料ガス供給流路となる。
【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、開弁する。
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。
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。
【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、レシプロエンジンと同様に、シリンダ１３ａ、ピストン１３ｂ、コンロッド１３ｃ、バルブ１３ｄなどで構成されており、ガソリンエンジンなど、既存のレシプロエンジンを流用することも可能である。エキスパンダ１３は、クランクシャフト５１を介してコンプレッサ２３と連動している。エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３の動作は、後記して詳述する。
【００２８】
バルブ１３ｄは、エキスパンダ１３の上部（上死点側）に設置されており、カムシャフトおよびカム１７の動作に応じて開閉することで、シリンダ１３ａ内の水素を配管１６ｃを介して燃料電池２に導く。カムシャフトおよびカム１７は、既存のレシプロエンジンに備えられているものを使用してもよい。なお、バルブ１３ｄは、電磁弁などの開閉制御可能なバルブを用いてもよい。このようにすることで、コストダウンを図ることができる。
【００２９】
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へ戻すものであり、エキスパンダ１３と同様の構成を有している。なお、図１では、エキスパンダ１３と比べて、エゼクタ用コンプレッサ１５が小さく記述されているが、エキスパンダ１３と同じ大きさでもよい。
エゼクタ用コンプレッサ１５も、エキスパンダ１３と同様にシリンダ１５ａ、ピストン１５ｂ、コンロッド１５ｃ、吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅなどを有している。ピストン１５ｂは、コンロッド１５ｃ、クランクシャフト５１を介して、エキスパンダ１３と連動するように構成されている。
詳細な動作は後記するが、エゼクタ用コンプレッサ１５は、シリンダ１５ａ内へ排出水素タンク１４から水素を吸入した後、エキスパンダ１３の動作と連動することによって、水素を配管１６ｃへ排出する。なお、エゼクタ用コンプレッサ１５における水素の吸入・排出は、エゼクタ用コンプレッサ１５の上部に備えられている吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅによって行われるが、この吸入用バルブ１５ｄ、排出用バルブ１５ｅはエキスパンダ１３のカム１７と連動してもよいし、エキスパンダ１３のバルブ１３ｄとは独立して動作してもよい。
【００３０】
（カソード系）
カソード系は、インテーク２１、フィルタ２２、酸化剤ガス用シリンダ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は細い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。
【００３１】
コンプレッサ２３は、エキスパンダ１３と同様の構成を有しており、シリンダ２３ａ、ピストン２３ｂ、コンロッド２３ｃ、吸入用バルブ２３ｄ、排気用バルブ２３ｅなどを有しており、エキスパンダ１３と同様に既存のレシプロエンジンを流用することが可能である。コンロッド２３ｃがクランクシャフト５１を介してエキスパンダ１３に接続されることで、コンプレッサ２３はエキスパンダ１３と連動している。吸入用バルブ２３ｄおよび排気用バルブ２３ｅは、カムシャフトおよびカム２５と連動している。
エキスパンダ１３のピストン１３ｂが押し下げられると、この力がコンロッド１３ｃ、クランクシャフト５１およびコンロッド２３ｃを介して、コンプレッサ２３のピストン２３ｂを押し上げ、シリンダ２３ａ内の空気が圧縮される。圧縮された空気は排気用バルブ２３ｅから燃料電池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、コンプレッサ２３における動作についての詳細も後記して説明する。
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。
【００３２】
なお、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３を含む装置を往復動容積型膨張圧縮機と称することがある。
【００３３】
（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、ウォータポンプ３４、配管３５ａ〜３５ｆなどを備えている。なお、図１において冷却系の配管３５ａ〜３５ｆは太い破線で示されている。
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を放熱するものである。
【００３４】
ウォータポンプ３４は、冷媒を循環させるためのポンプである。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１では、ウォータポンプ３４がクランクシャフト５１に接続されることで、エキスパンダ１３で発生する運動エネルギを利用することができ、燃料電池システム１のエネルギ効率の向上を可能にしている。
【００３５】
本実施形態における冷却系には、サーモスタット弁３１→イオン交換器３２→ウォータポンプ３４の順に循環する経路と、サーモスタット弁３１→コンプレッサ２３の筐体内流路→エキスパンダ１３の筐体内流路→ウォータポンプ３４の順に循環する経路とを有している。後記して詳細を説明するが、コンプレッサ２３・エキスパンダ１３を経由して循環する冷媒はコンプレッサ２３での空気の圧縮による温度の上昇や、エキスパンダ１３での水素の膨張による温度の低下を利用して、冷媒の温度を制御することができる。
なお、本実施形態では、冷媒をエキスパンダ１３と、コンプレッサ２３の双方を循環させているが、これに限らず、エキスパンダ１３のみを循環させてもよい。
【００３６】
（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い破線で示されている。
気液分離装置４１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（シリンダ内）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、本実施形態では、加湿ポンプ４２はモータによって作動しているものとしているが、クランクシャフト５１のエネルギを利用して作動してもよい。また、図１記載の実施例では、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。
【００３７】
（その他）
なお、クランクシャフト５１には、前記したウォータポンプ３４の他に、車輪に接続されているクラッチ５２も接続されており、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３で生じる運動エネルギを車輪の駆動にも利用することで、燃料電池システム１のエネルギ効率のさらなる向上を図ることができる。特に、ウォータポンプ３４や、車輪はクランクシャフト５１に直結した状態であり、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３で生じる運動エネルギを直接利用することができる。なお、他の補機をクランクシャフト５１に直結させてもよい。
特許文献２や特許文献３で開示されているタービンでは、余剰エネルギを、補機の駆動に利用することが困難であるが、本実施形態のようにレシプロエンジンを利用した形態では、余剰エネルギをクランクシャフト軸端から取り出すことができるため、補機や車輪の駆動などを行うことが可能となる。
【００３８】
（アノード系・カソード系における動作の詳細な説明）
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るアノード系・カソード系における動作を詳細に説明する。空気の圧縮による温度の上昇や、水素の膨張による温度の低下については後記する冷却系の詳細な説明において記載する。なお、図２〜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２〜図４において、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３のそれぞれを１つに略記している。
【００３９】
ここで、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１３ｅに接続し、エキスパンダ１３の排気口１３ｆにはバルブ１３ｄが設けられた配管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の排気用バルブ１５ｅが設けられた排気口１５ｆに接続し、エゼクタ用コンプレッサ１５の吸気口１５ｇには吸気用バルブ１５ｄが設けられた配管１６ｆが接続されている。
フィルタ２２（図１）からの、吸気用バルブ２３ｄが設けられた配管２４ｂはコンプレッサ２３の吸気口２３ｇに接続し、コンプレッサ２３の排気用バルブ２３ｅが設けられた排気口２３ｈには配管２４ｃが接続されている。
【００４０】
エキスパンダ１３のバルブ１３ｄが閉じている状態で、ＥＣＵからの指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り、吸気口１３ｅを介して高圧噴射装置１１から供給された高圧水素は膨張することにより、エキスパンダ１３のシリンダ１３ａ内でピストン１３ｂを押し下げ、その力がコンロッド１３ｃ、クランクシャフト５１およびコンロッド２３ｃを介してコンプレッサ２３に駆動力が伝達される。これにより、コンプレッサ２３のピストン２３ｂが上昇してコンプレッサ２３のシリンダ２３ａ内の空気を圧縮する。このとき、図示しないＥＣＵの指示により加湿ポンプ４２に接続されているインジェクタ２３ｆから生成水が噴霧され、噴霧された生成水は空気が圧縮された際の熱によって気化し、シリンダ２３ａ内の空気を加湿する。なお、インジェクタ２３ｆは、一般的なガソリンエンジンなどで用いられているインジェクタを利用してもよい。また、生成水の噴霧のタイミングは、空気が圧縮されたタイミングに限らず、その他のタイミングで噴霧されてもよい。
【００４１】
このとき、エゼクタ用コンプレッサ１５のピストン１５ｂも同様に押し上げられ、図示しないＥＣＵの指示により排出用バルブ１５ｅが開いて、排気口１５ｆを介してシリンダ１５ａ内の水素（燃料電池２で反応しなかった水素）が配管１６ｆへ排出され、燃料電池２へ送られる。
【００４２】
なお、前記したように、このとき生じた回転力はクランクシャフト５１を介して、ウォータポンプ３４などの補機や、車輪の駆動などに利用することができる。つまり、空気圧縮以外の動力源として使用することができる。
【００４３】
次に、図３に示すように、図示しないＥＣＵの指示によりコンプレッサ２３の排気用バルブ２３ｅが開き、圧縮された空気が配管２３ｈを介して配管２４ｃへ排出され、燃料電池２へ供給される。
【００４４】
そして、ＥＣＵの指示で図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが閉じると、エキスパンダ１３への水素の流入が停止し、図４に示すように、図２における動作の慣性でコンプレッサ２３のピストン２３ｂが押し下げられ、エキスパンダ１３のシリンダ１３ｂは押し上げられる。
このとき、図示しないＥＣＵの指示によりコンプレッサ２３の吸気バルブ２３ｄが開いて、配管２４ｂを通って外気から供給される空気が、吸入口２３ｇを介してシリンダ２３ａ内に流入すると同時に、エキスパンダ１３のバルブ１３ｄが開き、排気口１３ｆを介してエキスパンダ１３内の水素が配管１６ｃへ排出され、燃料電池２へ供給される。
このときの慣性力は、エキスパンダ１３・コンプレッサ２３の外部に備えられている図示しないフライホイールによって生じさせてもよいし、エキスパンダ１３を多気筒化し、高圧水素供給の位相をずらすことなどによって、他のエキスパンダ１３のエネルギを利用するようにしてもよい。
【００４５】
このとき、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３の各気筒における圧縮・膨張行程の位相を１２０°ずつずらすと良好な動作を得ることができる。つまり、コンプレッサ２３側について１２０°ずつ、エキスパンダ１３側について１２０°ずつずらすと、連続的な動作を得ることができる。
【００４６】
このとき、エゼクタ用コンプレッサ１５のピストン１５ｂも押し下げられ、図示しないＥＣＵの指示により吸入用バルブ１５ｄが開いて、燃料電池２において反応しなかった水素が排出水素タンク１４から配管１６ｅを通って、吸入口１５ｇを介してシリンダ１５ａ内に流入する。
【００４７】
そして、行程は図２の行程にもどり、以下図２〜図４の行程が繰り返される。
なお、本実施形態では、エゼクタ用コンプレッサ１５の動作において、エキスパンダ１３が水素を排出するときに、水素をシリンダ１５ａ内に流入させ、エキスパンダ１３が水素をシリンダ１３ａに吸入するときに、水素を排出するようにしたが、これに限らない。しかしながら、エキスパンダ１３から排出された水素と、エゼクタ用コンプレッサ１５から排出された水素とが配管１６ｃ（図１）内で干渉しないようなタイミングで動作することが望ましい。
【００４８】
（冷却系における動作の詳細な説明）
次に、再び図２を参照して、本実施形態に係る冷却系の動作について詳細に説明する。
図２におけるコンプレッサ２３での空気の圧縮により、空気の温度が上昇する。コンプレッサ２３には、前記したように配管３５ｅ内を冷媒が流れているが、圧縮による温度上昇にともない、この冷媒の温度も上昇する。
一方、前記したようにエキスパンダ１３内にも配管３５ｅ内を通じて冷媒が流れているが、この冷媒はコンプレッサ２３内を通過した冷媒であり、温度が高い状態となっている。エキスパンダ１３内における水素の温度は膨張によって低下するが、温度の高くなっている冷媒によって温度が高くなる。これにより、水素を暖めることができる。暖められた水素は、さらに膨張するので、コンプレッサ２３へ伝達する動力を増加させることができ、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。
逆に、冷媒は、水素に温度を与えることによって温度が低下し、その状態で燃料電池２へ送られることにより、燃料電池２の冷却を行うことになる。
【００４９】
このように、膨張した水素と圧縮された空気との間で熱交換することにより、本実施形態における燃料電池システム１は、アノード系およびカソード系それぞれにおける温度制御用熱交換器が不要となり、また、ラジエータ３３を小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、ラジエータ３３を、燃料電池２とコンプレッサ２３との間に配置しているが、これに限らず、例えばウォータポンプ３４の排出側と、燃料電池２との間に配置してもよい。このようにすることで、エキスパンダ１３で冷却された冷却水を、ラジエータ３３でさらに冷却することができ、効率的な冷却が可能となる。
【００５１】
また、本実施形態では、クランクシャフト５１がウォータポンプ３４や、クラッチ５２を介して車輪に接続されているが、これに限らず、オルタネータ、潤滑油循環ポンプ、燃料昇圧ポンプ、カム駆動用チェーンなどの補機や、駆動用のモータなどに接続されていてもよい。
【００５２】
さらに、エキスパンダ１３、コンプレッサ２３に設置されている各バルブ１３ｄ，２３ｄ，２３ｅの開閉タイミングを図示しない制御装置によって制御してもよい。このようにすることで、水素や、酸素の供給圧力を変化させたり、燃料電池２が停止した後の酸素拡散を制限することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、エキスパンダ１３に高圧水素が供給されると、コンプレッサ２３の空気が圧縮される構成となっているが、エキスパンダ１３に高圧水素が供給されると、コンプレッサ２３のピストン２３ｂが下がり、空気が導入されるようにクランクシャフト５１の形状を調節してもよい。つまり、エキスパンダ１３への高圧水素の供給と、コンプレッサ２３への空気の導入が同期するようにクランクシャフト５１の形状を調節してもよい。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、高圧水素を膨張させるエネルギで空気を圧縮するため、水素タンク１１における圧力エネルギを空気の圧縮に利用することによって、燃料電池システム１のエネルギ効率を向上させることができる。
また、燃料ガスである水素の膨張による温度低下、酸化剤ガスである空気の圧縮による温度上昇を、コンロッド１３ｃ、２３ｃ、クランクシャフト５１（つまり、往復動容積型エンジンの筐体）を介してエキスパンダ１３、コンプレッサ２３に伝えることができ、空気の圧縮による温度上昇を利用した水素の暖気、水素の膨張による温度低下を利用した空気の冷却を行うことが可能となる。これは、膨張・圧縮の概念がない特許文献１および特許文献２に記載のタービンから導出することのできない効果である。
【００５５】
また、エキスパンダ１３・コンプレッサ２３と接続しているクランクシャフト５１に、車輪や、ウォータポンプ３４などの補機を接続することにより、水素タンク１１における圧力エネルギを、車輪や、補機などの駆動に利用することができ、燃料電池システム１のエネルギ効率をさらに向上させることができる。つまり、水素タンク１１における圧力エネルギから生じる動力を、空気圧縮以外の動力源とすることができる。
冷却系の冷媒をエキスパンダ１３の筐体内流路に通過させることにより、水素が膨張したときの温度低下を燃料電池システム１の冷却に利用することができ、ラジエータ３３などの温度制御用熱交換器を小型化もしくは不要とすることができる。
このように、専用モータをもつエアポンプを不要とすることで、エアポンプを駆動・制御する装置も不要となり、更に、ラジエータ３３を小型化もしくは不要とすることで、コストダウン、車体の軽量化・小型化が可能となる。
また、既存のレシプロエンジンを利用することで、不要となったレシプロエンジンのリサイクルが可能となり、さらなるコストダウンを図ることもできる。
さらに、既存のレシプロエンジンは、アルミニウム鋳物であるが、アルミニウムは軽量で、加工が容易である上、水素脆化にも強いため、車両の軽量化や、コストダウンをさらに図ることができる。
【００５６】
また、エキスパンダ１３およびコンプレッサ２３における水素・空気の流入をバルブ１３ｄ，２３ｄ、２３ｅで制御することにより、燃料電池２が停止したとき、このバルブ１３ｄ，２３ｄ、２３ｅを閉じることで水素・空気の供給を停止することができる。従って、燃料電池２の停止時における水素・空気の供給停止のための制御が不要となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
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（往復動容積型膨張圧縮機、燃料ガス用シリンダ）
１３ａ エキスパンダのシリンダ
１３ｂ エキスパンダのピストン
１３ｃ エキスパンダのコンロッド
１３ｄ エキスパンダのバルブ
１４ 排出水素タンク
１５ エゼクタ用コンプレッサ
１５ａ エゼクタ用コンプレッサのシリンダ
１５ｂ エゼクタ用コンプレッサのピストン
１５ｃ エゼクタ用コンプレッサのコンロッド
１５ｄ エゼクタ用コンプレッサの排出用バルブ
１５ｅ エゼクタ用コンプレッサの吸入用バルブ
１６ａ〜１６ｆ アノード系の配管（燃料ガス供給流路を含む）
１７，２５ カム
１９ リリーフ弁
２１ インテーク
２２ フィルタ
２３ コンプレッサ（往復動容積型膨張圧縮機、酸化剤ガス用シリンダ）
２３ａ コンプレッサのシリンダ
２３ｂ コンプレッサのピストン
２３ｃ コンプレッサのコンロッド
２３ｄ コンプレッサの吸入用バルブ
２３ｅ コンプレッサの排出用バルブ
２３ｆ 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）
３１ サーモスタット弁
３２ イオン交換器
３３ ラジエータ
３４ ウォータポンプ
３５ａ〜３５ｂ 冷却系の配管
４１ 気液分離装置
４２ 加湿ポンプ
５１ クランクシャフト
５２ クラッチ
６１ 換気装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池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、
少なくとも２気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型膨張圧縮機をさらに備えており、
前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、
燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、
酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用される
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】
少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筐体内に設置された冷却水通路には、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環している
ことを特徴とする請求項１または請求項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。
【請求項１】
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燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池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、
少なくとも２気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型膨張圧縮機をさらに備えており、
前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、
燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、
酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用される
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】
少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筐体内に設置された冷却水通路には、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環している
ことを特徴とする請求項１または請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１０９１５０（Ｐ２０１２−１０９１５０Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５７９８０（Ｐ２０１０−２５７９８０）
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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