JP2006164750A - 燃料電池システムおよび燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 より少ない熱量でインペラ凍結時のロックを解除できるようにする。
【解決手段】 水素循環ポンプ２１は、水素容器からの水素および燃料電池からの排出水素を回転によって移送するインペラ６９を備えるポンプ部５１と、インペラ６９を回転させるロータ５９およびステータ５５をそれぞれ備えるモータ部４９とを有し、インペラ６９とモータ部４９とを同一のケーシング５３内に収容する。水素中の水分が凍結して氷７０が発生した場合に、ステータ５５に電流を流して発熱させることで、氷７０を解凍する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に燃料として供給する水素を移送する水素移送ポンプを備えた燃料電池システムおよび燃料電池自動車に関する。

遠心式水素移送ポンプにおいて、水素中に含まれる水分によりインペラとケーシングとが凍結する場合がある。この凍結を防止するために、インペラとケーシングとのクリアランスを大きくするとポンプの性能が低下する。

例えば下記特許文献１においては、凍結によるインペラとケーシングとの固着を防止するために、凍結可能面積を減らすことと、インペラの表面に撥水加工を施すことを開示している。

また、下記特許文献２には、ポンプの駆動源であるモータの発熱を利用して凍結を防止することが開示されている。
特開２００４−１５０２９８号公報 特開昭６２−２６５４９４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の発明では、凍結によるインペラのロックの可能性を低減できるものの、確実にロックを防止できるものではなく、やはりロック時の解除方法を必要とする。

これに対し、特許文献２に記載の発明の場合には、ロックを解除する方法が開示されているものの、凍結を解除するための熱量を多く必要として、エネルギを不要に消費してしまう。

そこで、本発明は、より少ない熱量でインペラ凍結時のロックを解除できるようにすることを目的としている。

本発明は、燃料電池に燃料として供給する水素を移送する水素移送ポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記水素移送ポンプは、前記水素を回転によって移送するインペラと、このインペラを回転させるロータおよびステータをそれぞれ備えるモータとを有し、前記インペラと前記モータとを同一のケーシング内に収容したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、水素移送ポンプにおけるインペラとモータとを同一ケーシング内に収容したので、インペラが凍結してロックしたときに、ステータへの通電による少量の発熱によってロックを解除でき、また特にモータ高負荷時には、水素雰囲気中のモータを水素によって効率よく冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の基本となる、燃料電池自動車に搭載する燃料電池システムの全体構成図である。

本燃料電池システムは、水素を燃料とする燃料電池１を備えており、水素容器３に貯蔵した高圧の圧縮水素が、水素供給弁５から水素供給配管７に流出して水素調圧弁９で減圧され、加湿器１１で最適温度に温調されて加湿された後、燃料電池１の水素極に供給される。一方空気は、コンプレッサ１３で圧縮された後、空気供給配管１５を通って加湿器１１で温調加湿されながら、燃料電池１の空気極に供給される。このようにして水素と空気の供給を受けて燃料電池１は発電する。

発電後の燃料電池１は、空気排出管１７を経て外部に空気を排出し、水素排出管１９を経て外部に水素を排出するとともに、この水素の一部は水素移送ポンプとしての水素循環ポンプ２１を備えた水素循環配管２３を経て、水素調圧弁９と加湿器１１との間の水素供給管７に戻される。

加湿器１１には、ラジエータファン２５を有するラジエータ２７およびポンプ２９を備えた配管３１を接続している。

燃料電池１で発電した電力は、補機３３あるいは駆動モータ用インバータ３５、加湿器１１に付属するポンプ２９などに供給され、車両の駆動輪３７を駆動する駆動モータ３９や補機３３を駆動しながら、余剰電力は例えばラミネート型の二次電池４１へ供給して蓄電する。

また、車両の減速により生じる回生電力は、駆動モータ用インバータ３５から補機３３あるいは二次電池４１へ供給し蓄電する。

燃料電池システムにおける発電要求に対して、燃料電池１の発電電力が足りないときは、二次電池４１に蓄電した電力から、燃料電池システムの発電要求の不足分を、アシスト電源として、補機３３あるいは駆動モータ用インバータ３５へ供給する。

図２は、上記図１に示した基本となる燃料電池システムに対し、本発明の具体的な一例に係わる、水素を循環させる燃料電池システムを示す全体構成図である。すなわち、この燃料電池システムにおいても、燃料電池１から排出されるガスには未反応水素ガスが含まれるため、燃費向上のために水素循環ポンプ２１は、燃料電池１から排出されて水素循環配管２３を流れる水素を、水素容器３から減圧された水素とともに再び燃料電池１の水素極へ供給する。

図２中で、符号４３は水素循環ポンプ用インバータ、符号４５はコンプレッサ用インバータ，符号４７はコンプレッサ１３で圧縮した空気を冷却する冷却器である。

なお、図２では水素循環ポンプ２１を水素供給配管７に配置しているが、図１のように水素循環配管２３に配置してもよい。

ここで、本発明の実施形態では上記のような燃料電池システムにおいて、水素循環ポンプ２１にて水素に含まれる水分が凍結し、氷としてインペラとケーシングとを固着させた場合においても、別途ヒータなどの装置を加えることなく解凍し、水素循環ポンプ２１の起動可能を図る方法として以下の方策を取っている。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態を示す水素循環ポンプ２１の断面図であり、水素循環ポンプ２１は、そのモータ部４９と、モータ部４９によって回転するポンプ部５１とを、同一のケーシング５３内に収容している。

すなわち、上記したケーシング５３は、その下部の図中で左右両側面に、前記した水素供給配管７を接続しており、水素供給配管７より上部のケーシング５３内に、モータ部４９を収容している。モータ部４９は、その周囲内壁にステータ５５を設け、ステータ５５の内側に回転軸５７に固定したロータ５９を設けている。

回転軸５７は、ケーシング５３の上下両壁５３ａ，５３ｂに対し、ベアリング６１，６３を介してロータ５９とともに回転可能である。また、ステータ５５の図３中で上部におけるロータ５９に対向する位置には、温度検出手段としての温度センサ６５を設けている。

モータ部４９の下部には、水素供給配管７に連通する水素導入空間６７を形成し、水素導入空間６７内に位置する前記した回転軸５７には、インペラ６９を取り付けている。このインペラ６９の回転によって、水素供給配管７および水素循環配管２３を流れてくる水素を、加湿器１１を経て燃料電池１へ移送する。

上記した水素循環ポンプ２１は、ケーシング５３に囲まれた内空間が水素雰囲気となっており、したがってロータ５９およびステータ５５を備えるモータ部４９は、水素により冷却される。

次に、作用について説明する。

水素循環ポンプ２１におけるケーシング５３下部の水素導入空間６７に導かれた水素は、モータ部４９の駆動により回転するインペラ６９により圧縮され、加湿器１１を経て燃料電池１に送り込まれる。

このとき、水素中に含まれる水分が、運転停止時にインペラ６９とケーシング５３の下壁５３ｂとの間に溜まり、この溜まった水分が、外気温が氷点下になったときに氷７０となりインペラ６９を固着させてしまう。

以後、この固着した氷の解凍動作を、図３に示す制御装置７１による制御動作を示す図４のフローチャートに基づき説明する。この制御装置７１は、温度センサ６５および後述するロータ５９の回転信号を検出する回転検出器７３の検出信号の入力を受け、インペラ６９の回転がロックしたかどうかの判断を行う判断手段を含むとともに、ロックした場合に、ステータ５５に電流を流す通電制御手段を含んでいる。

まず、インペラ６７が固着してモータロックしたかどうかを判断する（ステップＳ１）。このモータロックの判断は、ステータ５５のコイルに通電し回転磁界を発生させても、ロータ５９の回転信号を、図示しない回転検出器（例えばレゾルバやエンコーダなど）が検出しない場合である。ロータ５９の回転信号を検出した場合、つまりモータロックが発生していない場合には、本解凍制御を終了する。

次に、温度センサ６５が検出する温度を取り込み（ステップＳ２）、その検出温度が０℃未満かどうかを判断し（ステップＳ３）、０℃未満の場合には、氷によってインペラ６９が固着したと推定し、氷の解凍動作を実施する（ステップＳ４）。逆に、検出温度が０℃以上の場合には、他の要因でモータロックしたとして（ステップＳ５）、本解凍制御を終了する。

上記した解凍制御は、ステータ５５に対し、電流を流して発熱させて解凍を実施する。ステータ５５への通電は、そのコイルにおける複数相のうち、一つの相にのみ電流を流して回転磁界を発生させないようにする。これにより、ロータ５９が回転しないように制御して氷７０を解凍することができる。この際、一つの相に長時間電流を流すと、コイルを痛める虞があるので、他の一つの相に対して電流を流すよう適宜切り換える。

このようにしてステータ５５に通電して発生した熱は、ケーシング５３を経由して、インペラ６９を固着させている氷７０に伝わり、氷７０を解凍する。

上記した本発明の第１の実施形態によれば、インペラ６９と、ステータ５５およびロータ５９からなるモータ部４９とを、同一のケーシング５３内に収容したので、インペラ６９が凍結によりロックしたときに、ステータ５５への通電による少量の発熱によってロックを解除でき、また特にモータ高負荷時には、水素雰囲気中に存在するモータ部４９を効率よく冷却することができる。

また、ケーシング５３内の温度を温度センサ６５が取り込み、ケーシング５３内が凍結してインペラ６９の回転がロックしたかどうかを判断し、ロックしたと判断したときに、ステータ５５に通電して発熱させるようにしたので、凍結時の解凍をヒータなど専用の加熱器を用いることなく氷の解凍を確実に行うことができる。

また、ステータ５５に通電する際に、回転磁界の方向を切り換える、つまり一方向に回転磁界を発生させた後、逆方向の回転磁界を発生させることで、回転軸５７にねじれを発生させ、これによりロータ５９を振動させることもできる。ロータ５９の振動により、インペラ６９も振動し、この振動によってインペラ６９の固着解除をより短時間で行うことができる。

そして、このような燃料電池システムを、自動車に搭載することにより、ヒータなどの特別な加熱装置を追加することなく、低温時でも起動を可能な燃料電池自動車を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態を示す水素循環ポンプ２１の断面図であり、この水素循環ポンプ２１は、図３に示した第１の実施形態と同様に、そのモータ部４９と、モータ部４９によって回転するポンプ部５１とを、同一のケーシング５３内に収容しているが、図３の構成に対し、モータ部４９とポンプ部５１との上下位置を逆している。すなわち、モータ部４９を下部に、ポンプ部５１を上部にし、ポンプ部５１に位置する水素導入空間６７に水素供給配管７を接続する。

また、モータ部４９の上部のインペラ６９との間に防滴膜７５を設けている。防滴膜７５は、水素を透過しつつ水分を透過させない特性を持つものであれば特に限定されない。

上記した防滴膜７５を設けることで、水素導入空間６７からモータ部４９への水分の浸入を防止でき、したがって、水分は防滴膜７５上に溜まってここで凍結し、図示するように防滴膜７５上で氷７０が発生する。

この構成によると、氷７０の解凍を行う際に、ステータ５５に通電して発生した熱を、その直上に位置する氷７０に効率よく伝達することが可能となり、前記した第１の実施形態に対して解凍時間を短縮化することができる。

本発明の基本となる、燃料電池自動車に搭載する燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示した基本となる燃料電池システムに対し、本発明の具体的な一例に係わる、水素を循環させる燃料電池システムを示す全体構成図である。 本発明の第１の実施形態を示す水素循環ポンプの断面図である。 図３に示す制御装置による制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示す水素循環ポンプの断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２１ 水素循環ポンプ（水素移送ポンプ）
４９ モータ部
５３ ケーシング
５５ ステータ
５９ ロータ
６５ 温度センサ（温度検出手段）
６９ インペラ
７１ 制御装置（判断手段，通電制御手段）
７５ 水素透過性の防滴膜

Claims (9)

1. 燃料電池に燃料として供給する水素を移送する水素移送ポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記水素移送ポンプは、前記水素を回転によって移送するインペラと、このインペラを回転させるロータおよびステータをそれぞれ備えるモータとを有し、前記インペラと前記モータとを同一のケーシング内に収容したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送ポンプは、前記燃料電池が前記水素の供給を受けて発電する際に、前記燃料電池からの排出水素を循環させて再度前記燃料電池に供給する水素循環ポンプであることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、前記ケーシング内の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出温度を取り込み、前記ケーシング内が凍結して前記インペラの回転がロックしたかどうかを判断する判断手段と、この判断手段が前記インペラの回転がロックしたと判断したときに、前記モータのステータに通電して発熱させる通電制御手段とを、それぞれ有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記通電制御手段は、前記ステータに設けたコイルの複数相のうち、一つの相にのみ電流を流すことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記通電制御手段が前記モータのステータに通電して発熱させる際に、前記ロータを振動させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記ステータに通電する際に回転磁界の方向を切り換えることで、前記ロータを振動させることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記インペラの鉛直方向下方に前記モータを配置したことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記モータと前記インペラとの間に、水分不透過でかつ水素透過性の防滴膜を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載することを特徴とする燃料電池自動車。

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