JP2004150298A - 水素ポンプ及び水素ポンプを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ性能を低下させることなく、凍結による水素ポンプのロックを防止できる水素ポンプ及び水素ポンプを用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】インペラ１４の回転によりケーシング１２内に水素ガスを吸入して吐出する水素ポンプにおいて、インペラ１４の端面１９あるいはこれに対向するケーシング１２の内側面２０に溝を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池車両等の燃料電池システムに用いられる水素ポンプ及び水素ポンプを用いた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池では発電に伴い水が生成されるので、この生成水を燃料電池から排出するため、水素ガス及び酸化剤ガスを発電に必要な消費量よりも多く供給している。したがって、燃料電池から排出される水素ガスの排出ガスには未反応ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のために水素の排出ガスを水素ポンプを用いて積極的に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。
例えば、上記システムに用いられる水素ポンプとしては、ダイアフラムによって区画された密閉空間の容積をダイアフラムを変位させることにより変化させて水素の吸入と吐出を行うダイアフラム型の水素ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４７３６３号公報
【０００４】
ところが、このようなダイアフラム型の水素ポンプを用いて上述した水素ガスを循環させるための容量を確保しようとすると、ポンプの大型化が避けられないという問題がある。
そのため、燃料電池システム、特に車載用の燃料電池システムの水素循環流路には、インペラをケーシング内で回転させる形式の遠心式ポンプを用いることが検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記遠心式ポンプを使用することで、ある程度の容量を確保して搭載スペースに大きな制限のある車載用燃料電池システムへの搭載が可能となるが、水素排出ガス中に含まれる水分が低温時に凝縮して氷点下で凍結するとインペラがロックしてしまう。
このようなインペラのロックはインペラとこれに近接するケーシング内壁との間に存在する水が凍結するために起こるが、これを防止するためにインペラとケーシング内壁との間のクリアランスを大きくすると、ポンプ内部での昇圧工程中に内部リークが発生してしまい、ポンプ性能が低下するという問題がある。
また、モータの起動トルクを上げることにより、起動トルクで凍結部分において両者を分離しポンプを起動できるようにすることも考えられるが、モータが大型化してしまう。
そこで、この発明は、ポンプ性能を低下させることなく、凍結による水素ポンプのロックを防止できる水素ポンプ及び水素ポンプを用いた燃料電池システムを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、インペラ（例えば、実施形態におけるインペラ１４）の回転によりケーシング（例えば、実施形態におけるケーシング１２）内に水素ガスを吸入して吐出する水素ポンプにおいて、インペラの端面（例えば、実施形態における端面１９）あるいはこれに対向するケーシングの内側面（例えば、実施形態における内側面２０）に溝（例えば、実施形態における溝２１，２２，２３あるいは溝２５，２６，２７）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、溝によりインペラの端面に近接して対向するケーシング内側面との間の凍結可能面積を減少させることができる。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、前記溝がインペラの回転軸（例えば、実施形態における回転軸１５）を中心にして同心円状に複数形成されることを特徴とする。
このように構成することで、ポンプ内部での昇圧工程中に溝にガスが流れ込んでも、この溝は同心円状に流れインペラの径方向には流れない。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、インペラの回転によりケーシング内に水素ガスを吸入して吐出する水素ポンプにおいて、前記ケーシングの内側面とこれに対向するインペラの端面の双方に溝（例えば、実施形態における溝２１，２２，２３、溝２５，２６，２７）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、ケーシングの内側面のみならず、インペラ側においても、対向するケーシングの内側面との間の凍結可能面積を減少させることができる。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、前記ケーシングの内側面の溝とインペラの端面の溝とが互いに位置をずらして形成されることを特徴とする。
このように構成することで、インペラとケーシングの内側面との間において互いに近接して凍結可能性の高い部位を著しく減少させることができる。
【００１０】
請求項５に記載した発明は、前記ケーシングの内面あるいはインペラの表面に撥水加工が施されることを特徴とする。
このように構成することで、凍結した部位では付着水が表面張力で盛り上がり接触面積が少ない状態で凍結するため仮に凍結した場合でも凍結解除力が少なくて済む。
【００１１】
請求項６に記載した発明は、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）から排出される燃料ガスの排出ガスを再度燃料電池に供給する水素ポンプを用いた燃料電池システムにおいて、燃料ガスの排出ガスの環流通路（例えば、実施形態における水素オフガス循環流路７）にインペラの回転により水素ガスを送り出す水素ポンプ（例えば、実施形態における水素ポンプ８，２４，２８，２９，３０）を設け、この水素ポンプのケーシング内壁とインペラとの間に溝又は撥水加工（例えば、実施形態における撥水加工のための被膜Ｈ、溝２１，２２，２３、溝２５，２６，２７）を施したことを特徴とする。ここで、請求項７に記載したように前記撥水加工は撥水材を添着したものとすることができる。
このように構成することで、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる水が水素ポンプのインペラとケーシング内壁との間で凍結した場合でも、溝又は撥水加工により凍結解除力を低減してポンプ駆動時において低トルクで簡単にインペラとケーシングとを分離できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は車載用の燃料電池システムを示す概略図である。
燃料電池（ＦＣ）１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟持し更にセパレータで挟持したセルを複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１３】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧されて燃料電池１のカソード電極に供給され、反応後には燃料電池１から空気オフガスとして圧力制御弁３を介して排出される。
一方、高圧水素タンク（Ｈ２）４から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路５の途中に設けられた圧力制御弁６によって所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノード電極に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス循環流路（燃料ガスの排出ガスの環流通路）７に排出される。
【００１４】
水素オフガス循環流路７は、圧力制御弁６よりも下流の水素ガス供給流路５に接続され、水素オフガス循環流路７の途中には水素ポンプ８と逆止弁９が設けられている。燃料電池１から排出された水素オフガスは、水素ポンプ８で昇圧され、逆止弁９を通って水素ガス供給流路５に合流するようになっており、これにより水素オフガスは、高圧水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノード電極に供給される。ここで、図１に示すように水素オフガス循環流路７に例えばエゼクタ１０を更に追加して循環性能を高めてもよい。尚、１１は排出弁を示す。
【００１５】
次に、この発明の第１実施形態の水素ポンプについて説明する。図２は水素ポンプの正断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
水素ポンプ８はいわゆる遠心式ポンプであり、ケーシング１２内のポンプ室１３の内部にインペラ（羽根車）１４を備えている。インペラ１４の回転軸１５は軸受け（支持部）１６を介してケーシング１２に回転自在に支持され、この回転軸１５が図示しないモータに接続されている。
ケーシング１２の外周部、この実施形態ではケーシング１２の下部には、水素オフガスをポンプ室１３内に導入する吸込部１７と、ポンプ室１３内で昇圧された水素オフガスを吐出する吐出部１８が設けられている。この吸込部１７及び吐出部１８が水素オフガス循環流路７に接続されている。
【００１６】
ここで、ケーシング１２の内壁のうち、インペラ１４の軸方向の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０には各々溝２１，２２，２３が形成されている。
各溝２１，２２，２３は環状で各々が回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に形成された環状溝で、溝２１、溝２２、溝２３の順に直径が大きくなっている。各溝２１，２２，２３は角断面形状に形成されているが、断面形状はこれに限定されない。
【００１７】
ここで、前記インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間にはクリアランスＣＬが形成され、ポンプ内部での昇圧工程中にリークが生じない程度の寸法（例えば、１００μｍ）に形成されている。ここで、図３の内周壁Ｎの領域に溝を形成しなかったのは水素ポンプ８の昇圧工程で圧力が抜けてしまうからである。
【００１８】
上記実施形態によれば、燃料電池１の運転を停止して系内の温度が低下すると、水素オフガス循環流路７内の湿潤ガス中の水分が凝結したり、あるいは生成水が水素ポンプ８のケーシング１２の内壁やインペラ１４に付着した状態となる。この状態で再起動する場合に外気温が氷点下となっていると、上記凝結水等が凍結する場合がある。
【００１９】
ところが、この実施形態ではインペラ１４の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０に各々溝２１，２２，２３を設けたことで、溝２１，２２，２３によりインペラ１４の端面１９に近接して対向するケーシング１２の内側面２０の凍結可能面積を減少させることができるため、インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間で凍結した凝結水等の凍結面積が小さくなる。
そのため、凝結水や生成水が凍結し難くなったり、仮に凍結した場合でもインペラ１４とケーシング１２との結合力が小さくなるため、水素ポンプ８を駆動した場合に凍結部分が簡単に分離して水素ポンプ８を駆動できる。
【００２０】
したがって、凍結によるインペラ１４のロックが起きないように、インペラ１４の端面１９とこれに対向するケーシング１２の内側面２０との間のクリアランスＣＬを大きくする必要なく、できる限りこのクリアランスＣＬを小さくできるため、ポンプ性能を高く維持したまま凍結により駆動不能となる不具合をなくすことができる。
また、前記溝２１，２２，２３がインペラ１４の回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に複数形成されることにより、水素ポンプ８内部での昇圧工程中に溝２１，２２，２３にガスが流れ込んでも、この溝２１，２２，２３は同心円状に流れインペラ１４の径方向には流れない。その結果、溝２１，２２，２３が内部リークの原因とはならずポンプ性能を低下させることはない。
【００２１】
次に、この発明の第２実施形態に係る水素ポンプを図１及び図２の一部を援用し図４に基づいて説明する。尚、図２、図３と同一部分には同一符号を付して説明する。図４は図３に対応する水素ポンプの断面図である。
この水素ポンプ２４も図１に示す燃料電池システムに用いられる遠心式の水素ポンプであり、ケーシング１２内のポンプ室１３の内部にインペラ１４を備え、インペラ１４の回転軸１５は軸受け１６を介してケーシング１２に回転自在に支持され、この回転軸１５が図示しないモータに接続されている点、ケーシング１２の下部には、水素オフガスをポンプ室１３内に導入する吸込部１７と、ポンプ室１３内で昇圧された水素オフガスを吐出する吐出部１８が設けられ、これら吸込部１７及び吐出部１８が水素オフガス循環流路７に接続されている点等の基本的構造は第１実施形態と同様である。
【００２２】
ここで、ケーシング１２の内壁のうち、インペラ１４の軸方向の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０には各々溝２１，２２，２３が形成されている。各溝２１，２２，２３は環状で各々が回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に形成された環状溝で、溝２１、溝２２、溝２３の順に直径が大きくなっている。
【００２３】
また、上記溝２１，２２，２３に対応してインペラ１４の軸方向の端面１９，１９には、各々溝２５，２６，２７が設けられている。これらの溝２５、溝２６、溝２７は回転軸１５を中心にして同心円状に形成された環状溝であって、ケーシング１２の内側面２０の溝２１、溝２２、溝２３に対して互いに位置をずらして形成されている。具体的には、ケーシング１２の溝２１の内側に溝２５が、ケーシング１２の溝２１と溝２２との間の位置に溝２６が、ケーシング１２の溝２２と溝２３との間の位置に溝２７が各々形成されている。
【００２４】
上記第２実施形態によれば、ケーシング１２の内側面２０のみならず、インペラ１４側においても、対向するケーシング１２の内側面２０との間の凍結可能面積を減少させることができる。よって、インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間で凍結した凝結水等の凍結面積が更に小さくなり、凍結し難くなると共に凍結した場合でも結合力が小さくなるため、水素ポンプ２４を駆動可能とできる。
その結果、凍結する面積が少なくなった分だけインペラ１４とケーシング１２内側面２０との間のクリアランスＣＬを更に小さくすることができポンプ性能をより一層高く維持したまま、凍結防止を実現できる。
【００２５】
とりわけ、この実施形態では、前記ケーシング１２の内側面２０の溝２１，２２，２３とインペラ１４の端面１９の溝２５，２６，２７とが互いに位置をずらして形成されていることで、インペラ１４とケーシング１２の内側面２０との間において互いに近接した凍結可能性のある部位を著しく減少させることができる点で有利である。
【００２６】
次に、図５、図６に示すのは上記各実施形態の他の態様である。
図５に示す第３実施形態の水素ポンプ２８は、図２、図３の実施形態の水素ポンプ８において溝２１，２２，２３を含むケーシング１２内面及びインペラ１４の表面に撥水加工が施されたものである。
また、図６に示す第４実施形態の水素ポンプ２９は図４の実施形態の水素ポンプ２４において溝２１，２２，２３を含むケーシング１２内面及び溝２５，２６，２７を含むインぺラ１４の表面に凍結解除力を低減するために撥水加工（太い実線で示す撥水材の添着による撥水性の被膜Ｈの形成や表面加工等）が施されたものである。尚、前述した各実施形態と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
ここで、撥水加工としては、例えば、ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製の超撥水材料「ＨＩＲＥＣ」を用いたり、テフロン（登録商標）コーティング等の撥水性被膜の被覆処理を採用することができる。
【００２７】
このように撥水加工を施すのは次の理由による。燃料電池１の運転を停止して凝結水等がケーシング１２内やインペラ１４表面に付着すると、撥水加工が施してある部分の水滴は付着し難く、付着したとしても表面張力で盛り上がり接触面積が少ない状態となる。そのため仮に付着した状態で凍結した場合でも凍結解除力が少なくて済むのである。
【００２８】
したがって、図５に示す実施形態では、図２、図３に示した第１実施形態の効果に加えて、更にケーシング１２とインペラ１４が凍結しても撥水加工している分だけ凍結解除力が小さくなるので、水素ポンプ２８を駆動してトルクが作用するとインペラ１４を容易に凍結ロック解除することができる。
また、このことは図６における実施形態でも同様であり、図４に示した第２実施形態の効果に加え、更にケーシング１２とインペラ１４が凍結しても撥水加工している分だけ凍結解除力が小さくなるので、水素ポンプ２９を駆動してトルクが作用するとインペラ１４を容易に凍結ロック解除することができる。
【００２９】
尚、この発明の実施形態は上記実施形態に限られるものではなく、例えば図７に示す第５実施形態の水素ポンプ３０のように、図５に示す実施形態において溝２１，２２，２３を形成しない構造を採用することもできる。尚、図５に示す実施形態と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
具体的にはこの実施形態の水素ポンプ３０は、ケーシング１２内面とインペラ１４の表面に撥水加工として太い実線で示す被膜Ｈ（表面加工等でもよい）が施されているのみである。
【００３０】
前述した図５の実施形態の水素ポンプ２８では溝２１，２２，２３を、図６の実施形態の水素ポンプ２９では溝２１，２２，２３と溝２５，２６，２７を形成した上で撥水加工を施していたが、撥水加工だけで凍結解除力を十分に低減でき、インペラ１４がケーシング１２の内壁に凍結していても水素ポンプ３０を駆動することで簡単に凍結部分を引き剥がしてインペラ１４を回転することができる場合には、上記溝２１，２２，２３を設ける必要がないからである。よって、この実施形態によれば前述した実施形態のように溝加工をしなくても済むだけ、製造コストを低減できるメリットがある。
【００３１】
したがって、上述したように溝２１，２２，２３を設けた水素ポンプ８、溝２１，２２，２３及び溝２５，２６，２７を設けた水素ポンプ２４、これらに更に撥水加工を施した水素ポンプ２８，２９、又は前記各溝２１，２２，２３、溝２５，２６，２７を設けることなく撥水加工のみを施した水素ポンプ３０を、燃料電池１から排出される燃料ガスの排出ガスを再度燃料電池１に供給する水素オフガス循環流路７に用いた燃料電池システムに用いることで、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる凝結水等が上記水素ポンプ８，２４，２８，２９，３０のインペラ１４とケーシング１２内壁との間で凍結した場合でも、凍結解除力が低減するためポンプ駆動時において簡単にインペラ１４とケーシング１２とを分離できる。
よって、燃料電池１を低温起動する際でも上記水素ポンプの確実な駆動を確保して燃料電池システムを駆動することができる。
【００３２】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、水素ポンプは水素オフガス循環流路７以外の部位に用いられる場合にも適用できる。また、ケーシング１２の内側面２０の溝２１，２２，２３、インペラ１４の端面１９の溝２５，２６，２７は径方向に延びるものでなければ環状である必要はなく凹部（長さのない溝）であってもよい。また、撥水加工はインペラ１４の表面とケーシング１２内面との何れかに設ければよい。
また、第１実施形態においてインペラ１４の端面１９にのみ溝２１，２２，２３を設けるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、溝によりインペラの端面に近接して対向するケーシング内側面との間の凍結可能面積を減少させることができるため、インペラの端面とケーシングの内側面との間で凍結した凝結水等の凍結面積が小さくなり、凍結し難くなると共に凍結した場合でも結合力が小さくなるためポンプを駆動可能とできる。
したがって、インペラとケーシング内側面との間のクリアランスを小さくしてポンプ性能を高く維持したまま凍結により駆動不能となる不具合をなくすことができる。
【００３４】
請求項２に記載した発明によれば、ポンプ内部での昇圧工程中に溝にガスが流れ込んでも、この溝は同心円状に流れインペラの径方向には流れないので、溝が内部リークの原因とはならずポンプ性能を低下させることはないという効果がある。
【００３５】
請求項３に記載した発明によれば、ケーシングの内側面のみならず、インペラ側においても、対向するケーシングの内側面との間の凍結可能面積を減少させることができるため、インペラの端面とケーシングの内側面との間で凍結した凝結水等の凍結面積が更に小さくなり、凍結し難くなると共に凍結した場合でも結合力が小さくなるため、ポンプを駆動可能とできる効果がある。
したがって、凍結する面積が少なくなった分だけインペラとケーシング内側面との間のクリアランスを更に小さくすることができポンプ性能をより一層高く維持したまま、凍結防止を実現できる。
【００３６】
請求項４に記載した発明によれば、インペラとケーシングの内側面との間において互いに近接して凍結可能性の高い部位を著しく減少させることができるため、確実に凍結防止することができる効果がある。
【００３７】
請求項５に記載した発明によれば、凍結した部位では凝結水等が表面張力で盛り上がり接触面積が少ない状態で凍結するため、仮に凍結した場合でも凍結解除力が少なくて済み少ない駆動力でもインペラを容易にロック解除することができる効果がある。
【００３８】
請求項６、７に記載した発明によれば、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる水分が凝結する等して水素ポンプのインペラとケーシング内壁との間で凍結した場合でも、溝又は撥水加工により凍結解除力を低減してポンプ駆動時において低トルクで簡単にインペラとケーシングとを分離できるため、燃料電池を低温起動する際でも水素ポンプを確実に駆動して燃料電池を駆動することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の車載用の燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】この発明の第１実施形態の水素ポンプの正断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】第２実施形態の図３に相当する断面図である。
【図５】第３実施形態の図３に相当する断面図である。
【図６】第４実施形態の図３に相当する断面図である。
【図７】第５実施形態の図３に相当する断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
７ 水素オフガス循環流路（水素ガスの排出ガスの環流通路）
１２ ケーシング
１４ インペラ
１５ 回転軸
１９ 端面
２０ 内側面
２１，２２，２３，２５，２６，２７ 溝
Ｈ 被膜

Claims (7)

1. インペラの回転によりケーシング内に水素ガスを吸入して吐出する水素ポンプにおいて、インペラの端面あるいはこれに対向するケーシングの内側面に溝を設けたことを特徴とする水素ポンプ。
2. 前記溝がインペラの回転軸を中心にして同心円状に複数形成されることを特徴とする請求項１記載の水素ポンプ。
3. インペラの回転によりケーシング内に水素ガスを吸入して吐出する水素ポンプにおいて、前記ケーシングの内側面とこれに対向するインペラの端面の双方に溝を設けたことを特徴とする水素ポンプ。
4. 前記ケーシングの内側面の溝とインペラの端面の溝とが互いに位置をずらして形成されることを特徴とする請求項３に記載の水素ポンプ。
5. 前記ケーシングの内面あるいはインペラの表面に撥水加工が施されることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の水素ポンプ。
6. 燃料電池から排出される燃料ガスの排出ガスを再度燃料電池に供給する水素ポンプを用いた燃料電池システムにおいて、水素ガスの排出ガスの環流通路にインペラの回転により燃料ガスを送り出す水素ポンプを設け、この水素ポンプのケーシング内壁とインペラとの間に溝又は撥水加工を施したことを特徴とする水素ポンプを用いた燃料電池システム。
7. 前記撥水加工は撥水材を添着したものであることを特徴とする請求項６記載の水素ポンプを用いた燃料電池システム。

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