JP7188310B2 - 膨張機及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、膨張機及び該膨張機を備えた燃料電池システムに関する。

下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、高圧水素タンクから燃料電池に水素を供給する経路の途中に、水素を減圧膨張させる膨張機が配置されている。そして、この膨張機にて膨張する水素の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーを利用して送風機を回転駆動させている。この送風機は、燃料電池から排出される未反応空気中に含まれる蒸気を凝縮させる凝縮回収器に向けて送風する。

特開２００３－２１７６４１号公報

上記のような膨張機は、例えば水素を断熱膨張させる膨張室と、水素の膨張エネルギーによって駆動される駆動機構を収容した駆動室とを有している。膨張室と駆動室と間は、シール部材によってシールされるが、膨張機の作動中は、膨張室の内圧と駆動室の内圧とに差が生じるため、当該差圧がシール部材に加わる。その結果、膨張室から駆動室への水素の漏れや、駆動室から膨張室への潤滑油の漏れが発生する可能性がある。

本発明は上記事実を考慮し、膨張室と駆動室との間での流体の漏れを効果的に抑制可能な膨張機及び該膨張機を備えた燃料電池システムを得ることを目的とする。

第１の態様の膨張機は、導入される作動流体が膨張されて吐出される膨張室と、前記作動流体の膨張エネルギーにより駆動される駆動機構を収容する駆動室と、前記膨張室と前記駆動室との間に介在する中間室と、前記膨張室と前記中間室との間をシールする第１シール部材と、前記駆動室と前記中間室との間をシールする第２シール部材と、前記中間室に充填される加圧流体を加圧する加圧部と、を備えている。

第１の態様の膨張機では、膨張室に導入される作動流体が、膨張されて膨張室から吐出される。この作動流体の膨張エネルギーによって、駆動室に収容される駆動機構が駆動される。膨張室と駆動室との間には、中間室が介在する。この中間室は、膨張室との間が第１シール部材によってシールされると共に、駆動室との間が第２シール部材によってシールされる。そして、この中間室に充填される加圧流体が加圧部によって加圧される。これにより、膨張室と中間室との内圧の差を、膨張室と駆動室との内圧の差よりも小さくすることができ、第１シール部材に加わる差圧が小さくなる。その結果、膨張室から中間室への作動流体の漏れを抑制することができる。また、中間室の内圧が駆動室の内圧よりも高くなることで、駆動室から中間室への流体（例えば駆動機構の潤滑油）の漏れが抑制される。以上のことから、膨張室と駆動室との間での流体の漏れを、効果的に抑制することが可能になる。

第２の態様の膨張機は、第１の態様において、前記加圧部は、前記加圧流体を加圧する加圧装置と、前記加圧流体の圧力を検出する第１圧力センサと、前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力を検出する第２圧力センサと、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの検出結果に基づいて前記加圧装置を制御する制御部と、を有している。

第２の態様の膨張機では、中間室に充填される加圧流体の圧力が第１圧力センサによって検出され、膨張室から吐出される作動流体の圧力が第２圧力センサによって検出される。そして、これらの圧力センサの検出結果に基づいて制御部が加圧装置（例えばシリンダ装置、ポンプ等）を制御し、当該加圧装置が上記の加圧流体を加圧する。これにより、膨張室から吐出される作動流体の圧力に応じて加圧流体の圧力をフィードバック制御することができる。

第３の態様の膨張機は、第１の態様において、前記加圧部は、前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力によって前記加圧流体を加圧する。

第３の態様の膨張機によれば、中間室に導入される加圧流体は、膨張室から吐出される作動流体の圧力によって加圧される。これにより、加圧流体を加圧するための専用の加圧装置や、当該加圧装置を制御するための構成が不要となるので、加圧部の構成を簡素化することができる。

第４の態様の膨張機は、第３の態様において、前記加圧部は、前記膨張室と連通され、前記膨張室から吐出される前記作動流体が導入される第１室と、前記中間室と連通され、前記加圧流体が充填される第２室と、前記第１室と第２室とを仕切ると共に、前記第１室の内圧を前記第２室に伝達する圧力伝達部と、を有するタンクを備えている。

第４の態様の膨張機では、タンクの第１室が膨張室と連通され、タンクの第２室が中間室と連通される。第１室には膨張室から吐出される前記作動流体が導入され、第２室には加圧流体が充填される。第１室の内圧は圧力伝達部によって第２室に伝達される。これにより、中間室に連通する第２室に充填された加圧流体を、第１室に導入された作動流体の圧力によって加圧することができる。

第５の態様の膨張機は、第４の態様において、前記タンクは、前記加圧流体を前記第２室に充填するための充填口を有している。

第５の態様の膨張機では、タンクが有する充填口から第２室に加圧流体を充填することができるので、例えば中間室などからの加圧流体の漏れが発生する場合でも、加圧流体を追加補充することができる。

第６の態様の膨張機は、第１の態様～第５の態様の何れか１つの態様において、前記膨張室、前記駆動室及び前記中間室が内部に形成されるハウジングと、前記膨張室内に設けられ、固定スクロールと可動スクロールとの間で前記作動流体が膨張し、前記可動スクロールが前記固定スクロールに対して公転旋回運動を行うスクロール機構と、を備え、前記可動スクロールに対向して前記ハウジングに形成される環状溝によって前記中間室が形成され、前記第１シール部材及び前記第２シール部材は、前記環状溝の径方向両側で前記ハウジングと前記可動スクロールとの間に配設される。

第６の態様の膨張機では、ハウジングの内部に膨張室、駆動室及び中間室が形成される。膨張室内には、スクロール機構が設けられる。このスクロール機構では、固定スクロールと可動スクロールとの間で作動流体が膨張し、可動スクロールが固定スクロールに対して公転旋回運動を行う。この可動スクロールに対向してハウジングには、中間室を形成する環状溝が形成され、当該環状溝の径方向両側でハウジングと可動スクロールとの間に、第１シール部材及び第２シール部材が配設される。そして、これらのシール部材によって膨張室及び駆動室と中間室との間がシールされ、当該中間室に充填される加圧流体が加圧部によって加圧される。これにより、スクロール膨張機のハウジング内での流体漏れを、簡素な構成で効果的に抑制することができる。

第７の態様の膨張機は、第１の態様～第６の態様の何れか１つの態様において、前記作動流体と前記加圧流体とは、互いに異なる種類の流体である。

第７の態様の膨張機では、上記のように構成されているので、例えば作動流体として、安全管理が煩雑な流体を用いる場合でも、加圧流体を安全管理が容易な流体にすることができる。

第８の態様の膨張機は、第７の態様において、前記作動流体は、水素であり、前記加圧流体は、窒素、ヘリウム、水又はクーラントである。

第８の態様の膨張機では、安全管理が煩雑な水素が作動流体とされる一方、窒素、ヘリウム、水又はクーラントといった安全な流体が加圧流体とされる。加圧流体が窒素又はヘリウムといった気体である場合、加圧流体が液体の場合と比較して軽量化を図ることができる。また、加圧流体が水又はクーラントといった液体である場合、加圧流体が気体の場合と比較して、例えば漏れなどの異常の発見が容易になる。

第９の態様の発明に係る燃料電池システムは、前記作動流体である水素を貯留する水素タンクと、前記水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給経路と、前記水素供給経路の途中に接続され、前記水素タンクから前記燃料電池に供給される前記水素が前記膨張室に導入されて膨張され、前記膨張室から吐出される第１の態様～第８の態様の何れか１つの態様の膨張機と、を備えている。

第９の態様の燃料電池システムでは、水素タンクに貯留された水素が、水素供給経路を通って燃料電池に供給される。この燃料電池は、供給された水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する。上記の水素供給経路の途中には、膨張機が接続される。この膨張機では、上記の水素が膨張室に導入されて膨張され、膨張室から吐出される。この水素の膨張エネルギーによって、駆動室に収容された駆動機構が駆動される。これにより、水素の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。しかも、上記の膨張機は、第１の態様～第８の態様の何れか１つの態様のものであるため、前述した作用効果が得られる。

第１０の態様の燃料電池システムは、第９の態様において、燃料電池の冷媒を冷却するラジエータと、前記駆動機構の駆動力によって駆動され、前記ラジエータに向けて送風するファンと、を備えている。

第１０の態様の燃料電池システムでは、膨張機の駆動機構の駆動力によってファンが駆動される。このファンは、燃料電池の冷媒を冷却するラジエータに向けて送風する。これにより、ラジエータの冷却性能を向上させることができる。

第１１の態様の燃料電池システムは、第４の態様及び第５の態様の何れか１つの態様を引用する第９の態様又は第１０の態様において、前記タンクは、前記膨張機から吐出される前記水素が前記第１室を通過するように前記膨張機と前記燃料電池との間で前記水素供給経路に接続される。

第１１の態様の燃料電池システムでは、水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給経路の途中に膨張機が接続され、当該膨張機と前記燃料電池との間で水素供給経路には、タンクが接続される。このタンクの第１室には、膨張機から吐出される水素が通過する。この第１室の内圧が圧力伝達部によって第２室に伝達され、第２室に充填された加圧流体が加圧される。このように、膨張機から吐出されて燃料電池に供給される水素の圧力によって加圧流体が加圧されるので、効率的である。

以上説明したように、本発明に係る膨張機及び燃料電池システムでは、膨張室と駆動室との間での流体の漏れを効果的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの制御系統を示すブロック図である。 第１実施形態に係る膨張機の構成を示す断面図である。 図３の一部を拡大して示す拡大断面図である。 加圧部の制御部によるフィードバック制御について説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 タンクとしてのサブタンクの構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る膨張機の部分的な構成を示す断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図１～図５を用いて、本発明の第１実施形態に係る膨張機１０及び燃料電池システム１００について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１００は、一例として、図示しない車両（燃料電池自動車）に搭載されている。

（構成）
図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、一例として、燃料電池スタック１０２、冷却経路１０４、ラジエータ１０６、温度センサ１０８、熱交換器１１０、水素タンク１１２、水素供給経路１１４、膨張機１０、ファン１１６、メインバルブ１１８、第１開閉弁１２０、第２開閉弁１２２、第１調圧弁１２４、第２調圧弁１２６、サブタンク１２７、第１インジェクタ１２８、第２インジェクタ１３０、還流路１３２、気液分離器１３４、排水弁１３６、ポンプ１３８、三方分岐１４０、及び制御部１４２を備えている。上記の膨張機１０は、当該膨張機１０の本体部を構成する水素膨張機１１と、加圧部（圧力導入部）７２とによって構成されている。

先ず、燃料電池システム１００の全体構成について説明し、その後に、本実施形態の要部である膨張機１０の構成について詳細に説明する。なお、図１において、矢印Ｈは、水素（水素ガス）が流れる方向を示しており、矢印Ｗは、燃料電池スタック１０２の冷媒である冷却水が流れる方向を示している。以下の説明では、水素供給経路１１４において、水素タンク１１２側を水素の流れの上流側とし、燃料電池スタック１０２側を水素の流れの下流側として説明する。

（燃料電池システムの全体構成）
燃料電池スタック１０２は、燃料電池の一例である。具体的には、燃料電池スタック１０２は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されることで構成されている。燃料電池スタック１０２には、図示しない空気供給器から圧縮空気中の酸素が供給される。また、燃料電池スタック１０２には、水素タンク１１２から水素供給経路１１４を介して水素が供給される。

冷却経路１０４は、ラジエータ１０６から燃料電池スタック１０２の内部及び熱交換器１１０を経由して、再度ラジエータ１０６に冷却水を循環させる配管によって構成されている。冷却経路１０４における冷却水の循環は、図示しないポンプによって行われる。また、冷却経路１０４における熱交換器１１０と接触する部位は、一例として、Ｕ字状に屈曲した屈曲部１０４Ａとされている。この屈曲部１０４Ａは、屈曲部１０４Ａが形成されていない構成と比べて、熱交換器１１０との接触面積が増えている。この冷却経路１０４を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１０２が冷却される。

ラジエータ１０６は、図示しない車両の走行風を利用して、冷却経路１０４内の冷却水を冷却する。また、ラジエータ１０６は、当該ラジエータ１０６に対向して配置されたファン１１６からの送風によっても冷却される。温度センサ１０８は、冷却経路１０４における燃料電池スタック１０２の出口付近に設けられており、冷却経路１０４の冷却水の温度を検出する。

熱交換器１１０は、一例として、冷却経路１０４の屈曲部１０４Ａと接触されている。また、熱交換器１１０は、水素膨張機１１の下流側で水素供給経路１１４と接触されている。この熱交換器１１０は、水素膨張機１１による断熱膨張によって冷却された水素と、冷却経路１０４を循環する冷却水との間で熱交換を行う構成とされている。

さらに、熱交換器１１０は、一例として、水素膨張機１１の上流側で水素供給経路１１４と接触されている。これは、燃料電池スタック１０２の冷却経路１０４を流れる高温の冷却水の熱を利用して、水素供給経路１１４の水素の温度を上げてから水素膨張機１１で断熱膨張させた場合に、水素の体積が増えて、後述する駆動力をより多く得られるためである。また、水素は、膨張された場合の温度低下率が高いので、水素膨張機１１で過剰な冷却をしないためにも、水素膨張機１１よりも上流側で冷却水の熱を水素に与える構成としている。

耐圧容器である水素タンク１１２には、燃料電池スタック１０２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素（燃料水素）が貯留されている。この水素は、水素膨張機１１の作動流体として利用されるものである。この水素タンク１１２には、水素供給経路１１４の上流側端部が接続されている。

水素供給経路１１４は、水素タンク１１２から燃料電池スタック１０２に水素を供給するための経路であり、内部を水素が流れる配管によって構成されている。この水素供給経路１１４は、水素タンク１１２と燃料電池スタック１０２とを繋いでいる。この水素供給経路１１４は、水素タンク１１２から延びる上流側経路１１４Ａと、上流側経路１１４Ａの先端から二股に分岐すると共に、燃料電池スタック１０２側で再び合流するメイン経路１１４Ｂ及びバイパス経路１１４Ｃと、メイン経路１１４Ｂとバイパス経路１１４Ｃとの合流部と燃料電池スタック１０２とを繋いだ下流側経路１１４Ｄとによって構成されている。

上流側経路１１４Ａには、メインバルブ１１８及び第２調圧弁１２６が設けられている。メインバルブ１１８は、例えば電磁式の仕切弁であり、上流側経路１１４Ａを開閉可能とされている。第２調圧弁１２６は、制御弁であり、メインバルブ１１８の下流側に配置されている。この第２調圧弁１２６は、メインバルブ１１８を通過した水素の圧力を調整可能とされている。

メイン経路１１４Ｂには、第１開閉弁１２０、第１調圧弁１２４及び第１インジェクタ１２８が設けられている。第１開閉弁１２０は、制御弁であり、メイン経路１１４Ｂを開閉可能とされている。第１調圧弁１２４は、制御弁であり、第１開閉弁１２０の下流側に配置されている。この第１調圧弁１２４は、第１開閉弁１２０を通過した水素の圧力を調整可能とされている。第１インジェクタ１２８は、例えば電磁式の開閉弁を含む２つのインジェクタ１２８Ａ、１２８Ｂを有しており、燃料電池スタック１０２に供給する水素の量に応じて、インジェクタ１２８Ａ、１２８Ｂの作動状態が切り替えられる構成とされている。

バイパス経路１１４Ｃには、第２開閉弁１２２、水素膨張機１１、サブタンク１２７及び第２インジェクタ１３０が設けられている。第２開閉弁１２２は、制御弁であり、バイパス経路１１４Ｃを開閉可能とされている。この第２開閉弁１２２の上流側では、バイパス経路１１４Ｃの一部が熱交換器１１０と接触されている。

水素膨張機１１は、第２開閉弁１２２の下流側の近傍に配置されており、バイパス経路１１４Ｃ（水素供給経路１１４）の途中に接続されている。この水素膨張機１１の内部には、第２調圧弁１２６で一次減圧された水素が導入される。この水素膨張機１１は、内部に導入された水素を断熱膨張（減圧膨張）させることにより、水素の冷熱を生成し且つ水素の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成されている。この水素膨張機１１には、エネルギー回収装置としての前述したファン（送風機）１１６が接続されている。このファン１１６は、ラジエータ１０６に対向して配置されており、上記の機械エネルギーが伝達されて駆動されることにより、ラジエータ１０６に向けて送風する。なお、エネルギー回収装置は、ファン１１６に限らず、発電機や圧縮機等であってもよい。

サブタンク１２７は、水素膨張機１１の下流側に配置されている。このサブタンク１２７は、例えばアキュムレータ（蓄圧器）であり、水素膨張機１１から吐出される水素が内部を通過するように、水素膨張機１１と燃料電池スタック１０２との間でバイパス経路１１４Ｃの途中に接続されている。このサブタンク１２７の内圧は、大気圧よりも高圧になる。このサブタンク１２７は、第２インジェクタ１３０の与圧を維持する圧力室としての機能を有している。また、このサブタンク１２７は、水素膨張機１１から吐出される水素の圧力変動を抑制し、後述する第２インジェクタ１３０の作動を安定させる機能を有している。このサブタンク１２７と水素膨張機１１との間では、バイパス経路１１４Ｃの一部が熱交換器１１０と接触されている。

なお、以下の説明では、バイパス経路１１４Ｃにおいて、水素膨張機１１よりも上流側の部分を「上流部１１４Ｃ１」と称し、水素膨張機１１とサブタンク１２７との間の部分を「中間部１１４Ｃ２」と称し、サブタンク１２７よりも下流側の部分を「下流部１１４Ｃ３」と称する場合がある。

第２インジェクタ１３０は、例えば電磁式の開閉弁を含む２つのインジェクタ１３０Ａ、１３０Ｂを有しており、燃料電池スタック１０２に供給する水素の量に応じて、インジェクタ１３０Ａ、１３０Ｂの作動状態が切り替えられる構成とされている。この第２インジェクタ１３０の下流側では、バイパス経路１１４Ｃがメイン経路１１４Ｂと下流側経路１１４Ｄとの接続部に合流されている。

下流側経路１１４Ｄには、三方分岐１４０が設けられている。この三方分岐１４０には、還流路１３２の一端部が接続されている。この還流路１３２の他端部は、燃料電池スタック１０２に接続されている。この還流路１３２には、燃料電池スタック１０２からの排気が流入する。この還流路１３２には、気液分離器１３４及びポンプ１３８が設けられており、上記の排気が気液分離器１３４に流入する。気液分離器１３４は、上記の排気に含まれる水素ガス及び反応ガスを、気体成分と液体成分とに分離する。この気液分離器１３４には、排水弁１３６が接続されており、気液分離器１３４において分離された液体成分が排水弁１３６から排水される。また、気液分離器１３４において分離された気体成分は、上記の三方分岐１４０へと流れる。

三方分岐１４０においては、バイパス経路１１４Ｃ及びメイン経路１１４Ｂのうちの少なくとも一方から下流側経路１１４Ｄに流入する水素と、上記の排気とが合流する。これにより、上記の排気に含まれる未反応の水素が、上記少なくとも一方から下流側経路１１４Ｄに流入する水素と一緒に燃料電池スタック１０２に供給される構成になっている。

一方、制御部１４２は、図２に示されるように、ＣＰＵ（Central Processing Unit：プロセッサ）１４４、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４６、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５０、及び外部の装置との通信を行う入出力インタフェース部(Ｉ／Ｏ)１５２を有しており、これらがバス１５４を介して相互に通信可能に接続された構成になっている。

入出力インタフェース１５２には、温度センサ１０８、メインバルブ１１８、第１開閉弁１２０、第２開閉弁１２２、第１調圧弁１２４、第２調圧弁１２６、第１インジェクタ１２８、第２インジェクタ１３０、ポンプ１３８、排水弁１３６が電気的に接続されている。また、入出力インタフェース１５２には、後述する電磁クラッチ３０、加圧装置７４、第１圧力センサ７６及び第２圧力センサ７８が電気的に接続されている。ＣＰＵ１４４は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１４４は、ＲＯＭ１４６から制御プログラム１４８を読み出し、ＲＡＭ１５０を作業領域として制御プログラム１４８を実行する。このＣＰＵ１４４は、ＲＯＭ１４６に記録されている制御プログラム１４８に従って、上記各構成要素の制御および各種の演算処理を行うように構成されている。

上記構成の制御部１４２は、温度センサ１０８からの出力に基づいて、メインバルブ１１８、第１開閉弁１２０、第２開閉弁１２２、第１調圧弁１２４、第２調圧弁１２６、第１インジェクタ１２８、第２インジェクタ１３０、ポンプ１３８、排水弁１３６及び電磁クラッチ３０の作動を制御する。

例えば、制御部１４２は、温度センサ１０８によって検出される冷却水の温度が予め設定された基準温度未満の場合、第２開閉弁１２２を閉じ且つ第１開閉弁１２０を開いた状態で第１インジェクタ１２８を作動させる。これにより、制御部１４２は、水素膨張機１１を作動させずに、メイン経路１１４Ｂを通して燃料電池スタック１０２に水素を供給し、水素を必要以上に冷却し過ぎないようにする。また例えば、制御部１４２は、温度センサ１０８によって検出される冷却水の温度が上記の基準温度以上の場合、第１開閉弁１２０を閉じ且つ第２開閉弁１２２を開いた状態で第２インジェクタ１３０を作動させる。これにより、制御部１４２は、水素膨張機１１を作動させつつ、バイパス経路１１４Ｃを通して燃料電池スタック１０２に水素を供給する。これにより、水素膨張機１１において水素が断熱膨張されることで、水素の冷熱が生成され且つ水素の膨張エネルギーが機械エネルギーとして回収される。このように冷却水の温度が基準温度以上の場合、水素膨張機１１におけるエネルギー回収効率が高くなる。

（膨張機の構成）
次に、本実施形態の要部である膨張機１０の構成について説明する。前述したように、本実施形態に係る膨張機１０は、当該膨張機１０の本体部を構成する水素膨張機（膨張機本体）１１と、加圧部７２とによって構成されている。加圧部７２は、前述した制御部１４２と、加圧装置７４と、第１圧力センサ７６と、第２圧力センサ７８とを備えている。

図３及び図４に示されるように、水素膨張機１１は、膨張室１２と駆動室１４と中間室１６とを備えたスクロール膨張機である。この水素膨張機１１は、前述したように、燃料電池システム１００において、燃料水素の断熱膨張により生成される冷熱を利用して燃料電池スタック１０２の冷却性能を向上させるために用いられる。この水素膨張機１１は、ハウジング２０と、駆動機構（動力回収機構）２６と、電磁クラッチ３０と、スクロール機構３８と、第１シール部材６６及び第２シール部材６８とを備えている。

駆動機構２６は、回転軸であるシャフト２８と、駆動ピン３１と、ボールベアリング２７、２９と、ブッシュ５０と、ニードルベアリング５１と、バランスウエイト５２と、スラスト軸受５４とを有しており、オイル潤滑式とされている。この駆動機構２６は、ハウジング２０の内部に形成された駆動室１４に収容されている。この駆動室１４には、駆動機構２６を潤滑するための図示しないオイル（潤滑油）が存在している。この駆動室１４の内圧は、大気圧と同等に設定されている。

スクロール機構３８は、固定スクロール４０と、可動スクロール４２とを有している。可動スクロール４２には、径方向外側へ向けて延びる延伸部４３が設けられている。このスクロール機構３８は、ハウジング２０の内部に形成された膨張室１２に収容されている。この膨張室１２には、作動流体である高圧の水素が導入される。この膨張室１２に導入された水素は、断熱膨張されて膨張室１２から吐出される。この膨張室１２と上記の駆動室１４との間には、中間室１６が介在している。この中間室１６は、膨張室１２との間が第１シール部材６６によってシールされると共に、駆動室１４との間が第２シール部材６８によってシールされている。以下、上記各構成要素について詳細に説明する。

ハウジング２０は、上記の膨張室１２が内部に形成されたリヤハウジング２２と、上記の駆動室１４が内部に形成されたフロントハウジング２４とによって構成されている。リヤハウジング２２は、有底で且つ段付の円筒状をなしており、底壁部２２Ａ１を有する有底円筒状の小径円筒部２２Ａと、円筒状の大径円筒部２２Ｂと、これらの円筒部２２Ａ、２２Ｂを径方向につなぐ段部２２Ｃとを有している。フロントハウジング２４は、リヤハウジング２２よりも小径で且つ段付の円筒状をなしており、円筒状の小径円筒部２４Ａ及び大径円筒部２４Ｂと、これらの円筒部２４Ａ、２４Ｂを径方向につなぐ段部２４Ｃと、大径円筒部２４Ｂにおける小径円筒部２４Ａとは反対側の開口端から径方向外側へ延びるフランジ部２４Ｄとを有している。このフランジ部２４Ｄと大径円筒部２２Ｂの開放端とが互いに嵌合した状態で、リヤハウジング２２とフロントハウジング２４とが同心状に固定されている。そして、フランジ部２４Ｄと可動スクロール４２の延伸部４３との間に、上記の中間室１６が形成されている。このハウジング２０の中心軸線Ｘは、例えば図示しない車両（燃料電池自動車）の水平方向又は略水平方向に延びている。

上記の中心軸線Ｘ上には、シャフト２８が配設されている。このシャフト２８は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａ内を通ってハウジング２０内に延びている。このシャフト２８は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに包囲された小径部２８Ａと、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂに包囲された大径部２８Ｂとを備えている。大径部２８Ｂにおける小径部２８Ａとは反対側の端面には、中心軸線Ｘと平行に延びる駆動ピン３１が中心軸線Ｘから所定距離だけ偏心して固定されている。駆動ピン３１は、シャフト２８と平行に配置されている。このシャフト２８は、大径部２８Ｂがボールベアリング２７を介してフロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂに回転自在に支承され、小径部２８Ａがボールベアリング２９を介してフロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに回転自在に支承されている。

フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａの径方向外側には、電磁クラッチ３０が配設されている。電磁クラッチ３０は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに回転自在に外嵌している。この電磁クラッチ３０は、例えばＶベルト等の図示しない動力伝達部材を介して駆動対象（ここでは図１に示されるファン１１６）に接続されたプーリ３２と、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに固定された励磁コイル３４と、シャフト２８の小径部２８Ａの端部に固定された回転伝達板３６とを備えている。この電磁クラッチ３０等を介してシャフト２８の回転がファン１１６に伝達され、ファン１１６が回転する。

リヤハウジング２２内には、リヤハウジング２２に固定された固定スクロール４０と、固定スクロール４０に対して公転旋回運動（旋回摺動）を行う可動スクロール４２とを備えたスクロール機構３８が収容されている。固定スクロール４０は、中心軸線Ｘと同心に配設されてリヤハウジング２２に嵌合する円板状の端板４０Ａと、端板４０Ａの一方の面に立設された渦巻き状の渦巻き壁４０Ｂと、端板４０Ａの他方の面に形成された脚部４０Ｃとを備えている。この固定スクロール４０は、脚部４０Ｃがリヤハウジング２２の底壁部に当接した状態で、ボルト４１によりリヤハウジング２２に固定されている。

リヤハウジング２２内には、固定スクロール４０に隣接して可動部材（公転部材）としての可動スクロール４２が配設されている。可動スクロール４２は、円板状の端板４２Ａと、端板４２Ａの一方の面に立設された渦巻き状の渦巻き壁４２Ｂと、端板４２Ａの他方の面に形成された環状のボス４２Ｃとを備えている。可動スクロール４２の端板４２Ａの中心軸線（図示省略）は、ハウジング２０の中心軸線Ｘから所定距離だけ偏心して配置されており、中心軸線Ｘと平行に延びている。

可動スクロール４２の渦巻き壁４２Ｂと、固定スクロール４０の渦巻き壁４０Ｂとは、中心軸線Ｘの方向から見て渦巻き状をなしており、１８０゜の角度のずれをもって互いにかみ合っている。固定スクロール４０と可動スクロール４２との摺動面には、オイルなどの油分が存在しない構成とされている。固定スクロール４０に対する可動スクロール４２の公転旋回運動は、端板４２Ａの中心軸線と中心軸線Ｘとの距離が一定の状態で、端板４２Ａの中心軸線が中心軸線Ｘの回りを公転するものである。以下、上記の公転旋回運動を、単に「公転」と称する場合がある。

可動スクロール４２の端板４２Ａは、ハウジング２０の内部空間を膨張室１２と駆動室１４とに仕切っている。固定スクロール４０の端板４０Ａの中心部には、膨張室１２への水素の導入口である貫通穴４８が形成されている。また、端板４０Ａの中心部には、バイパス流路１１４Ｃの上流部１１４Ｃ１における下流側の端部が係止された経路接続部材１１５が固定（ここではボルト１１７により締結）されている。これにより、上流部１１４Ｃ１における下流側の端部が上記の貫通穴４８を介して膨張室１２に連通されている。なお、端板４０Ａの中心部において、経路接続部材１１５が固定された部位は、可動スクロール４２とは反対側へ突出したボス部（符号省略）とされている。また、リヤハウジング２２の底壁部２２Ａ１には、経路接続部材１１５をリヤハウジング２２内に挿入するための作業穴２３が形成されている。また、膨張室１２は、リヤハウジング２２に形成された図示しない吐出口に連通されている。この吐出口には、バイパス流路１１４Ｃの中間部１１４Ｃ２における上流側の端部が接続されている。

上流部１１４Ｃ１を流れる水素は、上記の貫通穴４８から膨張室１２（渦巻き壁４２Ａと渦巻き壁４２Ｂとの間の中心側）に導入される。膨張室１２に導入された水素は、可動スクロール４２を固定スクロールに対して公転させつつ、渦巻き壁４２Ａと渦巻き壁４２Ｂとの間で膨張し、渦巻き壁４２Ａ及び渦巻き壁４２Ｂの外周側へと流れて上記の吐出口から中間部１１４Ｃ２へと吐出される。

可動スクロール４２のボス４２Ｃには、端板４２Ａと同心状に配設された厚肉円板状のブッシュ５０が、ニードルベアリング５１を介して回転自在に内嵌している。ブッシュ５０には、中心軸線Ｘに平行に延びる偏心貫通穴（符号省略）が形成されると共に、径方向の外側へ延びるバランスウエイト５２が固定されている。上記の偏心貫通穴には、シャフト２８の大径部２８Ｂに固定された駆動ピン３１が回転摺動可能に挿入されている。そして、ブッシュ５０に形成された図示しないピンが、シャフト２８の大径部２８Ｂの端部に形成された上記のピンよりも僅かに大径の穴に嵌合している。

可動スクロール４２を介して固定スクロール４０とは反対側において、可動スクロール４２の端板４２Ａと、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂとの間には、スラスト軸受５４が配設されている。スラスト軸受５４は、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂの端部に固定された固定側レース５６と、可動スクロール４２の端板４２Ａに固定された可動側レース５８と、ハウジング２０の周方向に互いに間隔をあけて固定側レース５６と可動側レース５８との間に介在する複数のボール６０とを有している。このスラスト軸受５４は、可動スクロール４２のスラスト荷重を受ける機能と、可動スクロール４２の自転を阻止する自転阻止機構としての機能とを兼ね備えている。なお、本実施形態では、スラスト軸受５４を駆動機構２６の構成要素としているが、このスラスト軸受５４をスクロール機構３８の構成要素として捉えてもよい。

固定側レース５６及び可動側レース５８は、例えば鋼板がプレス成形されて製造されたものであり、円環状をなしている。固定側レース５６及び可動側レース５８には夫々の一面に、周方向に互いに間隔をあけて配置された複数の環状の転走溝（符号省略）が形成されている。各ボール６０は、例えば鋼材により球状に形成されており、固定側レース５６の転走溝とこれに対峙する可動側レース５８の転走溝との間に挟持された状態で、固定側レース５６と可動側レース５８との間に介在している。これらのボール６０は、固定スクロール４０に対する可動スクロール４２の公転に伴って、上記各転走溝内を可動スクロール４２の公転半径と略同一直径の円軌道を描いて転走する。これらのボール６０の転走範囲が上記各転走溝内に限定されることで、可動スクロール４２の自転が阻止される構成になっている。なお、可動スクロール４２の自転を阻止する自転阻止機構が、スラスト軸受５４とは別に設けられた構成にしてもよい。

可動スクロール４２の端板４２Ａの外周部からは、可動スクロール４２の径方向外側へ向けて延伸部（延出部）４３が一体に延伸（延出）されている。この延伸部４３は、端板４２Ａが径方向外側へ向けて延長されたものであり、端板４２Ａと同様の板状をなし且つ可動スクロール４２の軸線方向から見て端板４２Ａと同心の円環状をなしている。この延伸部４３は、リヤハウジング２２の大径円筒部２２Ｂ内に収容されている。この延伸部４３の外径寸法は、大径円筒部２２Ｂの内径寸法よりも小さく設定されている。この延伸部４３が設けられた可動スクロール４２の中心軸線は、前述したようにハウジング２０の中心軸線Ｘに対して偏心して配置されている。この延伸部４３の外周面の一部は、大径円筒部２２Ｂの内周面に対して接触又は近接して配置されている。そして、このように延伸部４３の外周面において、大径円筒部２２Ｂの内周面に接触又は近接（最接近）した部位が、可動スクロール４２の公転に合わせて、大径円筒部２２Ｂの内周面に沿って周回（移動）する構成になっている。

上記の延伸部４３は、リヤハウジング２２の段部２２Ｃとフロントハウジング２４のフランジ部２４Ｄとの間に配置されている。フランジ部２４Ｄの径方向中間部には、中心軸線Ｘの方向の両側へ突出した環状突出部６２が形成されている。この環状突出部６２は、中心軸線Ｘの方向から見て中心軸線Ｘと同心の円環状をなしている。フランジ部２４Ｄにおいて環状突出部６２が形成された箇所は、それ以外の箇所に比べて中心軸線Ｘの方向の厚みが厚くなっている。この環状突出部６２は、ハウジング２０内に位置する延伸部４３側の端部（端面）が延伸部４３に近接して配置されている。この環状突出部６２は、可動スクロール４２の公転時に、延伸部４３に対して常に中心軸線Ｘの方向に対向する位置に形成されている。

上記の環状突出部６２には、延伸部４３側（可動スクロール４２側）が開放された環状溝６４が形成されている。この環状溝６４は、中心軸線Ｘと同心の円環状をなす溝であり、延伸部４３に対して固定スクロール４０とは反対側から対向して配置されている。この環状溝６４によって、フランジ部２４Ｄと延伸部４３との間に中間室１６が形成されている。

また、環状突出部６２における延伸部４３側の端部（端面）には、第１シール部材６６と第２シール部材６８とが取り付けられている。第１シール部材６６は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の自己潤滑性を有する樹脂からなり、環状突出部６２と同心で且つ環状溝６４よりも若干大径なリング状に形成されている。第２シール部材６８は、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴムからなり、環状突出部６２と同心で且つ環状溝６４よりも若干小径なリング状に形成されている。

これらのシール部材６６、６８は、例えば環状突出部６２における延伸部４３側の端面に形成された円環状の溝に嵌め込まれることでフロントハウジング２４に取り付けられている。これらのシール部材６６、６８は、可動スクロール４２に接触しており、可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間をシールしている。また、第１シール部材６６は、膨張室１２と中間室１６との間をシールしており、第２シール部材６８は、駆動室１４と中間室１６との間をシールしている。これらのシール部材６６、６８によって膨張室１２及び駆動室１４と仕切られた空間が、中間室１６とされている。この中間室１６は、非可動部材であるハウジング２０と、可動部材である可動スクロール４２との間に形成されている。この中間室１６の内容積は、水素膨張機１１の作動中（可動スクロール４２の公転中）に変化しない構成とされている。

上記の中間室１６には、加圧流体が充填されている。この加圧流体は、水素膨張機１１の作動流体である水素とは異なる種類の流体とされている。具体的には、加圧流体は、窒素、ヘリウム、水又はクーラントとされている。

また、上記の環状溝６４（中間室１６）は、環状突出部６２に形成された圧力導入ポート７０を介してハウジング２０の外部と連通されている。圧力導入ポート７０は、中心軸線Ｘの方向に延びる貫通穴であり、環状溝６４に対して延伸部４３とは反対側へ延びている。この圧力導入ポート７０は、加圧装置７４に対応している。

加圧装置７４は、例えばシリンダ装置、ポンプ等であり、環状突出部６２におけるハウジング２０の外側の端部に固定されている。この加圧装置７４は、中間室１６に充填された加圧流体を加圧可能とされている。なお、本実施形態では、中間室１６や加圧装置７４が可動スクロール４２に対して駆動機構２６側（固定スクロール４０とは反対側）に配置された構成にしたが、これに限るものではない。中間室１６や加圧装置７４が可動スクロール４２に対して固定スクロール４０側に配置された構成、すなわち例えばリヤハウジング２２の段部２２Ｃに中間室１６が形成され、当該段部２２Ｃに加圧装置７４が固定された構成にしてもよい。

上記の加圧装置７４には、加圧流体の圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ７６が設けられている。この第１圧力センサ７６は、前述した制御部１４２に電気的に接続されている。この制御部１４２には、上記の第１圧力センサ７６に加えて、第２圧力センサ７８が電気的に接続されている。第２圧力センサ７８は、一例として、水素膨張機１１とサブタンク１２７との間でバイパス経路１１４Ｃの中間部１１４Ｃ２に接続されている。この第２圧力センサ７８は、水素膨張機１１から吐出される水素の圧力Ｐ２（以下、「水素の吐出圧力Ｐ２」と称する場合がある）を検出する。そして、これらの圧力センサ７６、７８の検出結果に基づいて、制御部１４２が上記の加圧装置７４を制御する構成になっている。この制御部１４２による加圧装置７４の制御の一例であるフィードバック制御について、図５に示されるフローチャートを用いて説明する。

先ずステップＳ１において、制御部１４２は、第１圧力センサ７６からの入力に基づいて、加圧流体の圧力Ｐ１を検知する。次いでステップＳ２では、制御部１４２は、第２圧力センサ７８からの入力に基づいて、水素の吐出圧力Ｐ２を検知する。次いでステップＳ３では、制御部１４２は、加圧流体の圧力Ｐ１が、水素の吐出圧力Ｐ２よりも小さいか否かを判断する。この判断が肯定された場合、ステップＳ４に移行し、この判断が否定された場合、ステップＳ５に移行する。ステップＳ４では、制御部１４２は、加圧装置７４によって加圧流体を加圧する。一方、ステップＳ５では、制御部１４２は、加圧装置７４によって加圧流体を減圧する。そして、制御部１４２は、ステップＳ４又はステップＳ５での処理が完了すると、ステップＳ１に戻って上述の如き処理を繰り返す。

上記の処理により、制御部１４２は、水素の吐出圧力Ｐ２に連動して加圧流体の圧力Ｐ１を調整し、加圧流体の圧力Ｐ１（すなわち中間室１６の内圧）と、水素の吐出圧力Ｐ２との差を最小にする。つまり、本実施形態では、中間室１６に充填された加圧流体は、膨張室１２から吐出される水素の圧力と同等の圧力（駆動室１４の内圧よりも高い圧力）に加圧される構成になっている。

（作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

上記構成の燃料電池システム１００では、水素タンク１１２に貯留された水素が、水素供給経路１１４を通って燃料電池スタック１０２に供給される。この燃料電池スタック１０２は、供給された水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する。また、水素供給経路１１４の途中には、膨張機１０の本体部である水素膨張機１１が接続されている。この水素膨張機１１では、膨張室１２に導入される水素が断熱膨張されて膨張室１２から吐出される。この水素の膨張エネルギーによって、駆動室１４に収容された駆動機構２６が駆動される。この駆動機構２６の駆動力によってファン１１６が駆動される。このファン１１６は、燃料電池スタック１０２の冷却水を冷却するラジエータ１０６に向けて送風する。これにより、ラジエータ１０６の冷却性能すなわち燃料電池スタック１０２の冷却性能を向上させることができる。さらに、上記の水素供給経路１１４は、水素膨張機１１の下流側で熱交換器１１０と接触されている。この熱交換器１１０においては、上記の断熱膨張によって冷却された水素と、冷却経路１０４を循環する上記の冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、燃料電池スタック１０２の冷却性能を一層向上させることができる。

また、本実施形態では、水素膨張機１１の膨張室１２と駆動室１４との間には、中間室１６が介在している。この中間室１６は、膨張室１２との間が第１シール部材６６によってシールされると共に、駆動室１４との間が第２シール部材によってシールされている。そして、この中間室１６に充填された加圧流体が加圧部７２によって加圧される。これにより、膨張室１２と中間室１６との内圧の差を、膨張室１２と駆動室１４との内圧の差よりも小さくすることができ、第１シール部材６６に加わる差圧が小さくなる。その結果、膨張室１２から中間室１６への水素の漏れを抑制することができる。また、中間室１６の内圧が駆動室１４の内圧よりも高くなることで、駆動室１４から中間室１６へのオイルの漏れが抑制される。以上のことから、膨張室１２と駆動室１４との間での流体の漏れを、効果的に抑制することが可能となる。

なお、上記のオイル漏れは、膨張室１２から駆動室１４への水素の漏れに起因して発生する可能性がある。すなわち、水素膨張機１１の作動中は、膨張室１２の中心側に高圧の水素が導入される一方、膨張室１２の外周側（図示しない吐出口側）には、減圧膨張された水素が流れる。このため、膨張室１２内の中心側と外周側とで差圧が生じるが、水素膨張機１１が一度停止すると、膨張室１２の内部での水素の漏れにより、膨張室１２内の圧力が平準化し、膨張室１２の外周側（吐出口側）では圧力が上昇する。その結果、膨張室１２から駆動室１４への水素の漏れが発生し、駆動室１４の内圧が上昇する可能性がある。その場合、水素膨張機１１の始動時に、膨張室１２の外周側の圧力が一時的に降下することで、駆動室１４の内圧が膨張室１２の内圧よりも高くなり、駆動室１４内のオイルが膨張室１２に漏れることが考えられる。

上記のような水素漏れやオイル漏れを、シール部材のシール力のみで解消しようとする場合、多重シールやシール圧の増加などの対策が必要になる。しかしながら、そのような対策では、摺動抵抗や摩耗などの２次的な課題が生じる。この点、本実施形態では、膨張室１２と中間室１６と駆動室１４との間で圧力のバランスをとることで、膨張室１２と駆動室１４との間での流体の漏れを抑制する構成であるため、上記のような課題が生じなくなる。

また、本実施形態では、水素膨張機１１の潤滑のために、作動流体である水素にオイルを混入させる構成ではないため、水素に混入したオイル（異物）が燃料電池スタック１０２に入り込むことを防止することができる。つまり、例えばエアコン等のコンプレッサでは、冷媒（作動流体）にオイルを添加し、冷媒圧縮後にオイルを回収することが行われている。このように作動流体とオイルとを混合して使用することは、機器の潤滑性と閉鎖空間のシール性を確保する上で簡易かつ有効な方法であるが、燃料電池スタック１０２に供給される燃料水素にオイルを混入することには、コンタミネーション防止の観点で問題がある。このような問題を、本実施形態では回避することができる。

また、本実施形態では、水素膨張機１１の膨張室１２内にスクロール機構３８が設けられている。このスクロール機構３８では、固定スクロール４０と可動スクロール４２との間で水素が膨張し、可動スクロール４２が固定スクロール４０に対して公転旋回運動を行う。この可動スクロール４２に対向して水素膨張機１１のハウジング２０には、中間室１６を形成する環状溝６４が形成されており、当該環状溝６４の径方向両側でハウジング２０と可動スクロール４２との間には、第１シール部材６６及び第２シール部材６８が配設されている。そして、これらのシール部材６６、６８によって膨張室１２及び駆動室１４と中間室１６との間がシールされており、当該中間室１６に充填される加圧流体が加圧部７２によって加圧される。これにより、スクロール膨張機である水素膨張機１１のハウジング２０内での流体漏れを、簡素な構成で効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、中間室１６に充填される加圧流体の圧力Ｐ１が第１圧力センサ７６によって検出され、膨張室１２から吐出される水素の吐出圧力Ｐ２が第２圧力センサ７８によって検出される。そして、これらの圧力センサ７６、７８の検出結果に基づいて制御部１４２が加圧装置７４を制御し、当該加圧装置７４が上記の加圧流体を加圧する。これにより、膨張室１２から吐出される水素の吐出圧力Ｐ１に応じて加圧流体の圧力Ｐ２をフィードバック制御することができ、吐出圧力Ｐ１と加圧流体の圧力Ｐ２との差、すなわち膨張室１２の吐出口側の内圧と中間室１６の内圧との差を最小に近づけることができ、第１シール部材６６に加わる差圧を最小にすることができる。

さらに、本実施形態では、水素膨張機１１の作動流体と加圧流体とが互いに異なる種類の流体とされている。具体的には、安全管理が煩雑な水素が作動流体とされる一方、窒素、ヘリウム、水又はクーラントといった安全な流体が加圧流体とされている。これにより、加圧流体の安全管理が容易になる。しかも、加圧流体が窒素又はヘリウムといった気体である場合、加圧流体が液体の場合と比較して軽量化を図ることができる。また、加圧流体が水又はクーラントといった液体である場合、加圧流体が気体の場合と比較して、例えば漏れなどの異常の発見が容易になる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１実施形態と基本的に同様の構成及び作用については、第１実施形態と同符号を付与しその説明を省略する。

図６には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の概略構成の一例が構成図にて示されている。この燃料電池システム１０１は、第１実施形態に係る膨張機１０とは異なる膨張機８０を備えている。この膨張機８０は、第１実施形態に係る水素膨張機１１と同様の水素膨張機１１と、第１実施形態に係る加圧部７２とは異なる加圧部８２とによって構成されている。この実施形態に係る加圧部８２は、第１実施形態に係るサブタンク１２７とは異なるサブタンク８４と、バイパス経路１１４Ｃの中間部１１４Ｃ２と、加圧経路９４とを備えている。この実施形態では、第１実施形態に係るサブタンク１２７、加圧装置７４、第１圧力センサ７６及び第２圧力センサ７８が省略されている。

サブタンク８４は、本発明における「タンク」に相当する。このサブタンク８４は、第１実施形態に係るサブタンク１２７と同様に、水素膨張機１１と燃料電池スタック１０２との間でバイパス経路１１４Ｃ（水素供給経路１１４）の途中に接続されている。

図７に示されるように、サブタンク８４は、長尺な中空状に形成されたタンク本体（耐圧容器）８６を有している。タンク本体８６は、一例として、長手方向から見た断面が円形状をなし、長手直交方向から見た断面が長円形状をなしている。タンク本体８６内の長手方向中間部には、圧力伝達部９２が設けられている。この圧力伝達部９２は、例えばピストン、ダイヤフラム等であり、タンク本体８６の内部を第１室８８と第２室９０とに仕切っている。この圧力伝達部９２は、第１室８８の内圧を第２室９０に伝達可能とされている。

第１室８８が形成されたタンク本体８６の長手方向一端側には、バイパス経路１１４Ｃの中間部１１４Ｃ２における下流側の端部と、バイパス経路１１４Ｃの下流部１１４Ｃ３における上流側の端部とが接続されている。この第１室８８は、中間部１１４Ｃ２を介して水素膨張機１１の膨張室１２の吐出口に連通されている。この第１室８８には、膨張室１２から吐出される水素が導入される（通過する）。これにより、水素膨張機１１の作動時（稼動時）には、第１室８８の内圧が、膨張室１２から吐出される水素の圧力と同等になる。

第２室９０が形成されたタンク本体８６の長手方向他端側には、加圧経路９４の一端部が接続されている。この加圧経路９４は、配管によって構成されており、他端部が水素膨張機１１の圧力導入ポート７０（図８参照）に接続されている。これにより、第２室９０と水素膨張機１１の中間室１６とが加圧経路９４を介して連通されている。また、タンク本体８６の長手方向他端側には、第２室９０内に加圧流体（補償圧力流体）を充填するための充填口９６と、第２室９０内の加圧流体が充填口９６側へ逆流することを防止する逆止弁９８とが設けられている。なお、図７では、充填口９６及び逆止弁９８を概略的に記載している。充填口９６から第２室９０に充填される加圧流体は、加圧経路９４内及び水素膨張機１１の中間室１６内にも充填される。この加圧流体は、第１実施形態に係る加圧流体と同様の流体とされている。

上記の加圧流体は、圧力伝達部９２を介して伝達される第１室８８内の水素の圧力によって加圧される。つまり、本実施形態では、水素膨張機１１の膨張室１２から吐出される作動流体の圧力によって加圧された加圧流体が、水素膨張機１１の中間室１６に導入される構成になっている。そして、上記のようにして加圧される加圧流体の圧力は、膨張室１２から吐出される水素の圧力と同等以下で、且つ駆動室１４の内圧（大気圧と同等）よりも高くなるように構成されている。つまり、本実施形態では、膨張室１２から吐出される水素の圧力と同等以下で且つ駆動室１４の内圧よりも高い圧力に加圧された加圧流体が、中間室１６に導入される構成になっている。この実施形態では、上記以外の構成は、第１実施形態と同様とされている。

この実施形態においても、水素膨張機１１の中間室１６に充填（導入）された加圧流体が加圧部８２によって加圧される。これにより、第１実施形態と同様に、膨張室１２と駆動室１４との間での流体の漏れを効果的に抑制することが可能となる。

しかも、この実施形態では、加圧部８２は、水素膨張機１１と燃料電池スタック１０２との間で水素供給経路１１４に接続されたサブタンク８４を有している。このサブタンク８４は、膨張室１２の吐出口と連通された第１室８８と、中間室１６と連通された第２室９０と、第１室８８の内圧を第２室９０に伝達する圧力伝達部９２とを備えている。第１室８８には膨張室１２から吐出される水素が導入され、第２室９０には加圧流体が充填される。この加圧流体は、第１室８８に導入された水素の圧力が圧力伝達部によって伝達されて加圧される。つまり、本実施形態では、加圧部８２は、膨張室１２から吐出される水素の圧力によって加圧流体を加圧する。これにより、第１実施形態に係る加圧装置７４や当該加圧装置７４を制御するための構成が不要となるので、加圧部８２の構成を簡素化することができる。

また、本実施形態では、上記のサブタンク８４が有する充填口９６から第２室９０に加圧流体を充填することができるので、例えば中間室１６からの加圧流体の漏れが発生する場合でも、加圧流体を追加補充することができる。

＜実施形態の補足説明＞
前記各実施形態では、膨張機１０、８０が燃料電池システム１００、１０１の構成要素として適用された例について説明したが、これに限るものではない。本発明に係る膨張機は、例えば冷凍機械の構成要素である膨張機に対しても適用可能である。

また、前記各実施形態では、膨張機１０、８０の作動流体と加圧流体とが異なる種類の流体とされた場合について説明したが、これに限らず、作動流体と加圧流体とが同じ種類の流体とされた構成にしてもよい。

また、前記各実施形態では、膨張機１０、８０の本体部である水素膨張機１１がスクロール膨張機とされた場合について説明したが、これに限るものではない。例えば本発明に係る膨張機の本体部がタービン式膨張機とされた構成にしてもよい。その場合、例えばタービン式膨張機における非可動部材（固定部材）と可動部材との間に中間室を形成する構成になる。

また、前記第２実施形態では、加圧部８２がサブタンク８４を備えた構成にしたが、これに限るものではない。例えば加圧部が備えるシリンダ装置をハウジング２０に取り付けると共に、膨張室１２から吐出される水素を上記のシリンダ装置に導入し、当該シリンダ装置によって中間室１６内の加圧流体を加圧する構成にしてもよい。

また、前記各実施形態では、燃料電池システム１００、１０１が車両（燃料電池自動車）に搭載された場合について説明したが、これに限るものではない。本発明に係る燃料電池システムは、例えば家庭用の燃料電池システムであってもよい。

その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が前記各実施形態に限定されないことは勿論である。

１０ 膨張機
１１ 水素膨張機
１２ 膨張室
１４ 駆動室
１６ 中間室
２０ ハウジング
２６ 駆動機構
３８ スクロール機構
４０ 固定スクロール
４２ 可動スクロール
６４ 環状溝
６６ 第１シール部材
６８ 第２シール部材
７２ 加圧部
７４ 加圧装置
７６ 第１圧力センサ
７８ 第２圧力センサ
８０ 膨張機
８２ 加圧部
８４ サブタンク（タンク）
８８ 第１室
９０ 第２室
９２ 圧力伝達部
９６ 充填口
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池スタック
１０６ ラジエータ
１１２ 水素タンク
１１４ 水素供給経路
１１６ ファン
１４２ 制御部（加圧部）

Claims (9)

1. 導入される作動流体が膨張されて吐出される膨張室と、
   前記作動流体の膨張エネルギーにより駆動される駆動機構を収容する駆動室と、
   前記膨張室と前記駆動室との間に介在する中間室と、
   前記膨張室と前記中間室との間をシールする第１シール部材と、
   前記駆動室と前記中間室との間をシールする第２シール部材と、
   前記中間室に充填される加圧流体を、前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力によって加圧する加圧部と、
   を備えた膨張機。
2. 前記加圧部は、
   前記加圧流体を加圧する加圧装置と、
   前記加圧流体の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力を検出する第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの検出結果に基づいて前記加圧装置を制御する制御部と、
   を有する請求項１に記載の膨張機。
3. 前記加圧部は、
   前記膨張室と連通され、前記膨張室から吐出される前記作動流体が導入される第１室と、
   前記中間室と連通され、前記加圧流体が充填される第２室と、
   前記第１室と第２室とを仕切ると共に、前記第１室の内圧を前記第２室に伝達する圧力伝達部と、
   を有するタンクを備えている請求項１に記載の膨張機。
4. 前記タンクは、前記加圧流体を前記第２室に充填するための充填口を有する請求項３に記載の膨張機。
5. 前記膨張室、前記駆動室及び前記中間室が内部に形成されるハウジングと、
   前記膨張室内に設けられ、固定スクロールと可動スクロールとの間で前記作動流体が膨張し、前記可動スクロールが前記固定スクロールに対して公転旋回運動を行うスクロール機構と、
   を備え、
   前記可動スクロールに対向して前記ハウジングに形成される環状溝によって前記中間室が形成され、
   前記第１シール部材及び前記第２シール部材は、前記環状溝の径方向両側で前記ハウジングと前記可動スクロールとの間に配設される請求項１～請求項４の何れか１項に記載の膨張機。
6. 前記作動流体と前記加圧流体とは、互いに異なる種類の流体である請求項１～請求項５の何れか１項に記載の膨張機。
7. 前記作動流体は、水素であり、前記加圧流体は、窒素、ヘリウム、水又はクーラントである請求項６に記載の膨張機。
8. 前記作動流体である水素を貯留する水素タンクと、
   前記水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給経路と、
   前記水素供給経路の途中に接続され、前記水素タンクから前記燃料電池に供給される前記水素が前記膨張室に導入されて膨張され、前記膨張室から吐出される請求項１～請求項７の何れか１項に記載の膨張機と、
   を備え、
   前記加圧部は、前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力によって前記加圧流体を加圧すると共に、
   前記膨張室と連通され、前記膨張室から吐出される前記作動流体が導入される第１室と、
   前記中間室と連通され、前記加圧流体が充填される第２室と、
   前記第１室と第２室とを仕切ると共に、前記第１室の内圧を前記第２室に伝達する圧力伝達部と、
   を有するタンクを備え、
   前記タンクは、前記膨張機から吐出される前記水素が前記第１室を通過するように前記膨張機と前記燃料電池との間で前記水素供給経路に接続される燃料電池システム。
9. 前記作動流体である水素を貯留する水素タンクと、
   前記水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給経路と、
   前記水素供給経路の途中に接続され、前記水素タンクから前記燃料電池に供給される前記水素が前記膨張室に導入されて膨張され、前記膨張室から吐出される請求項１～請求項７の何れか１項に記載の膨張機と、
   前記燃料電池の冷媒を冷却するラジエータと、
   前記駆動機構の駆動力によって駆動され、前記ラジエータに向けて送風するファンと、
   を備え、
   前記加圧部は、前記膨張室から吐出される前記作動流体の圧力によって前記加圧流体を加圧すると共に、
   前記膨張室と連通され、前記膨張室から吐出される前記作動流体が導入される第１室と、
   前記中間室と連通され、前記加圧流体が充填される第２室と、
   前記第１室と第２室とを仕切ると共に、前記第１室の内圧を前記第２室に伝達する圧力伝達部と、
   を有するタンクを備えている燃料電池システム。

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