JP2007192158A - ポンプおよび燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車によって移送する移送流体の外部への流出を防止しつつ、モータ部への流体の浸入を防止する。
【解決手段】燃料電池３から排出される余剰水素を、水素循環通路１１を通して循環させて燃料電池３に再度供給する水素循環ポンプ１は、モータ部４３の回転軸となる軸３５の下部に羽根車４９を備えている。羽根車４９は、外周側の還流羽６１と、その内側の基部６３とを有し、基部６３の上面に放射状に延びる板状の羽６５を備えている。羽根車４９が回転すると、羽６５が遠心力の作用によって、ポンプ室５９に流入する水素中の水分を、中心側から外周の還流羽６１側に排出し、羽根車ケーシング４７の上壁４７ｃに設けてあるシール材５５を通してモータ室５７内への水分の浸入を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ部の回転軸上に羽根車を設けたポンプおよび燃料電池システムに関する。

従来、モータ部の回転軸上に羽根車を設けたポンプにおいて、モータ部側と羽根車側との境界部における隔壁に軸封部を設け、この軸封部に水抜き管を接続して大気開放とすることで、軸封部が損傷した際に、羽根車側の移送流体である水を外部へ排出し、モータ部への水の浸入を防止してモータ部の電気的絶縁状態を確保する点が、下記特許文献１に記載されている。
特開平９−１１２４９３号公報

しかしながら、上記したような水抜き管を備えるポンプの構造を、燃料電池システムにおける水素循環ポンプに適用し、燃料電池から排出される余剰の水素中に含まれる水分を、水抜き管を通してポンプ外部に排出するようにした場合には、移送流体である水素もポンプ外部に排出されてしまう。

そこで、本発明は、羽根車によって移送する移送流体の外部への流出を防止しつつ、モータ部への流体の浸入を防止することを目的としている。

本発明は、モータ部の回転軸と、このモータ部により回転して流体を移送する羽根車の回転軸とを、互いに同軸上に連続して配置するポンプにおいて、前記羽根車は、外周側の羽根部と、この羽根部より内周側に位置する基部とを有し、前記モータ部を収納するモータケーシングと、前記羽根車を格納する羽根車ケーシングとの間の隔壁に対向する前記羽根車の基部上に、前記羽根車の回転により中心側から外周側へ流体を排出する流体排出部を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、羽根車の基部に設けた流体排出部が、羽根車の回転により、流体を遠心力の作用によって中心側から外周側へ排出するので、羽根車側からモータ部への流体の浸入を防止することができる。

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、本発明の第１の実施形態を示す、図２の燃料電池システムに使用する燃料循環ポンプとしての水素循環ポンプ１の断面図である。この燃料電池システムは、例えば車両に搭載されるもので、燃料電池３の燃料入口３ａと、燃料である水素ガスを高圧に貯蔵する水素タンク５とを、水素供給通路７で接続し、水素供給通路７には水素圧力調整弁９を設置する。

燃料電池３の燃料出口３ｂには燃料循環通路としての水素循環通路１１の一端を接続し、水素循環通路１１の他端は、前記した水素圧力調整弁９と燃料電池３との間の水素供給通路７に接続する。水素循環通路１１には、燃料電池３側から水セパレータ１３および前記した水素循環ポンプ１を順次配置する。

水セパレータ１３は、燃料電池３から排出される水素中に含まれる水分を分離するもので、分離後の水分を排出する水排出通路１５を水セパレータ１３に接続し、水排出通路１５には水排出弁１７を設置する。

また、水セパレータ１３と水素循環ポンプ１との間の水素循環通路１１には、パージ通路１９を接続し、パージ通路１９にはパージ弁２１を設置する。パージ弁２１は、水素循環通路１１を循環している水素中に、燃料電池３から窒素が混入するが、混入した窒素の割合が一定以上高くなった場合、もしくは燃料電池システムの負荷を急速に下げる場合に、開弁する。

一方、燃料電池３の空気入口３ｃと空気コンプレッサ２３とは、空気供給通路２５で接続し、燃料電池３の空気出口３ｄには、空気排出通路２７を接続する。空気供給通路２５および空気排出通路２７には加湿器２９を設置する。加湿器２９は、空気コンプレッサ２３から燃料電池３に供給する空気を、空気排出通路２７を流れる水分を含む排出空気によって加湿する。

また、加湿器２９より下流の空気排出通路２７には、空気圧力調整弁３１を設置する。空気圧力調整弁３１は、空気コンプレッサ２３より下流の燃料電池３を含む空気経路内の圧力を調整する。

また、コントロールユニット３３は、特に図示しないが、水素供給通路７に設置する水素圧力センサや空気排出通路２７に設置する空気圧力センサなど検出信号の入力を受け、あらかじめ決められた制御プログラムに従って、前記した水素循環ポンプ１，水素圧力調整弁９，水排出弁１７，パージ弁２１，空気コンプレッサ２３および空気圧力調整弁３１などの各種部品をそれぞれ駆動制御し、本燃料電池システム全体を制御する。

図１に示すように、水素循環ポンプ１は、鉛直方向に相当する図１中で上下方向に延びる軸３５を有し、この軸３５の外周に永久磁石３７を設けてモータロータとする一方、永久磁石３７に対向するモータケーシング３９の内壁にモータコイル４１を設けてモータステータとし、これらによりモータ部４３を構成している。したがって、上記した軸３５は、モータ部４３の回転軸を含んでいる。

前記したモータケーシング３９は、下部が開放する中空に形成され、この下部開口を覆うようにポンプ部４５の羽根車ケーシング４７を装着している。前記した軸３５は、この羽根車ケーシング４７内に下端を挿入し、その外周部に羽根車４９を取り付けている。したがって、上記した軸３５は、羽根車４９の回転軸をも含んでおり、またモータ部４３の回転軸と、このモータ部４３により回転して流体を移送する羽根車４９の回転軸とを、互いに同軸上に連続して配置していることになる。

軸３５は、その上端部を、モータハウジング３９の凹部３９ａに設けた上部軸受５１に回転可能に支持するとともに、下端部を、羽根車ケーシング４７の下壁４７ａの挿入孔４７ｂに挿入した下部軸受５３に回転可能に支持する。

また、羽根車ケーシング４７の隔壁となる上壁４７ｃには、軸３５が貫通する貫通孔４７ｄを設け、この貫通孔４７ｄと軸３５との間にはシール材５５を介装し、モータケーシング３９内のモータ室５７と、羽根車ケーシング４７内のポンプ室５９とを封止している。

羽根車４９は、図３に斜視図として示すように、外周側の上面に円周方向に沿って複数設けてある羽根部としての還流羽６１と、還流羽６１より内周側に位置して軸３５の外周面に固定する基部６３とを有し、さらに基部６３は、内周側のボス部６３ａとその外周側の平板部６３ｂとを有している。

そして、この平板部６３ｂ上に、内端をボス部６３ａに接触した状態で、流体排出部として羽６５を取り付ける。羽６５は、軸３５から外周側に向けて放射状に延びる板状部材で構成し、上端縁６５ａを、軸３５側に対し外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させている。

この傾斜した上端縁６５ａに対向する羽根車ケーシング４７の上壁４７ｃ（図１参照）の下面４７ｅも、上端縁６５ａに対応するように、軸３５側に対し外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させている。なお、羽３５の上端縁６５ａと羽根車ケーシング４７の上壁４７ｃの下面４７ｅとの間には、隙間６７を形成している。

還流羽６１の上部の羽根車ケーシング４７内には流体流路６９を形成し、この流体流路６９の図１中で右側には吸入流路７１が連通する。吸入流路７１は、羽根車ケーシング４７およびモータケーシング３９にそれぞれ形成した貫通孔４７ｆおよび３９ｂで構成する。貫通孔３９ｂは、上部が図１中で右側に屈曲してモータケーシング３９の側部に開口し、この開口部に吸入配管７３を接続する。

一方、流体流路６９の図１中で左側には吐出流路７５が連通する。吐出流路７５は、羽根車ケーシング４７およびモータケーシング３９にそれぞれ形成した貫通孔４７ｇおよび３９ｃで構成する。貫通孔３９ｃは、上部が図１中で左側に屈曲してモータケーシング３９の側部に開口し、この開口部に吐出配管７７を接続する。

上記した吸入配管７１および吐出配管７５は、前記図１に示した水素循環配管１１の上流側および下流側にそれぞれ接続する。

このような構造の水素循環ポンプ１を備えた燃料電池システムにおいて、水素タンク５内の燃料は、水素供給通路７を流れる際に、水素圧力調整弁９で減圧および調圧されてから燃料電池３に供給される一方、空気コンプレッサ２３で圧縮された空気が、空気供給通路２５を通って燃料電池３に供給され、それぞれ供給された水素と空気とで燃料電池３が発電する。

発電状態の燃料電池３は、余剰の燃料を水素循環通路１１に排出し、水セパレータ１３および水素循環ポンプ１を経て再度燃料電池３に供給される一方、排出する空気を空気排出通路２７を経て外部に放出する。この際、加湿器２９により、空気排出通路２７を流れる排出空気中の水分が、空気供給通路２５を流れる空気を加湿し、加湿後の空気を燃料電池３に供給することになる。

ここで、水素循環ポンプ１においては、モータ部４３の駆動により軸３５が回転し、これに伴い回転する羽根車４９によって、燃料電池３から排出された余剰の水素を、吸入配管７３および吸入流路７１から流体流路６９に取り込み、吐出流路７５および吐出配管７７を経て水素供給通路７側の水素循環通路１１に吐出する。

なお、羽根車４９は、回転する際の遠心力によって、還流羽６１の内部の流体に回転方向に向かう流れを発生させて還流羽６１から流出させ、ポンプ室５９内の流体と運動量交換を行わせる。運動量交換を行った流体は、再度還流羽６１内に流入し、これを繰り返しつつエネルギを流体に与えることで圧力が高まり、吐出流路７５に向けて流体が吐出されることになる。

この際、燃料電池３から排出される余剰水素には水分が含有し、その水分を水セパレータ１３で分離しているものの、完全には分離できず、その下流の水素循環ポンプ１のポンプ室５９に水素とともに流入することとなる。

水素循環ポンプ１では、羽根車４９の回転に伴って羽６５が一体となって回転し、ポンプ室５９内に流入した水分を、羽６５が遠心力の作用によって中心側から外周側の還流羽６１へ向けて飛ばし、シール材５５から離れる方向に排出することになる。

このため、燃料電池３から流出する水分を含む水素が、水素循環ポンプ１のポンプ室５９内に流入しても、この水素中の水分のモータケーシング３９内への浸入を防止でき、モータコイル４１などモータ部４３の電気的絶縁抵抗低下を防止することができる。この際、羽根車４９によって移送される水素を大気中に放出することも回避することができる。

また、水素循環ポンプ１により水素循環通路１１を循環させている水素中には、燃料電池３から混入する窒素が存在するが、混入した窒素の割合が一定以上高くなった場合、もしくは燃料電池システムの負荷を急速に下げる場合に、パージ弁２１を開いて水素循環通路１１内の圧力を下げる。

水素循環通路１１の圧力低下により、ポンプ室５９とシール部材５５によって僅かの隙間を介して連通するモータケーシング３９内の圧力も低下する。水素循環通路１１の圧力が所定の圧力まで下がったら、再度パージ弁２１を閉じることで、水素循環通路１１の圧力が上昇し、これに伴いポンプ室５９内の圧力も上昇するが、このような場合であっても、本実施形態では、ポンプ室５９内の水分を羽６５の回転によって外周側へ排出しているので、シール材５５を介してモータ室５７への水分の浸入を防止することができる。

本発明の第２の実施形態として、特に図示しないが、前記した第１の実施形態における羽６５の表面に撥水処理を施している。撥水処理した羽６５の表面には、水分が存在しても表面張力が発生するので、水分は、羽６５の表面から離れやすくなって効率よく外周側へ排出することができる。

本発明の第３の実施形態として、特に図示しないが、前記した第１の実施形態における羽６５の表面に親水処理を施している。親水処理した羽６５の表面に対しては水分が馴染むので、この水分が、羽６５の表面上を流れやすくなって効率よく外周側に排出することができる。

なお、上記した第２，第３の各実施形態における撥水処理，親水処理は、羽６５に実施する代わりに、羽根車ケーシング４７における上壁４７ｃの下面４７ｅに施してもよく、また羽６５と上壁４７ｃの双方に施してもよい。

図４は、本発明の第４の実施形態を示す水素循環ポンプ１Ａの断面図である。この実施形態による水素循環ポンプ１Ａは、その羽根車４９Ａにおける基部６３Ａの上部の表面６３Ａaを、軸３５側に対して外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させている。

そして、基部６３Ａの表面６３Ａa上には、流体排出部としての羽６５Ａを、円周方向に沿って複数設けている。この羽６５Ａも、軸３５から外周側に向けて放射状に延びる板状部材で構成し、その上端縁６５Ａａを、軸３５側に対して外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させている。

この傾斜した上端縁６５Ａａに対向する羽根車ケーシング４７の上壁４７ｃ（図１参照）の下面４７ｅも、第１の実施形態と同様にして、上端縁６５Ａａに対応するように、軸３５側に対して外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させ、また下面４７ｅと羽６５Ａの上端縁６５Ａａとの間には、隙間６７を形成してある。その他の構成は、前記図１に示した第１の実施形態とほぼ同様である。

第４の実施形態によれば、羽６５Ａによって第１の実施形態と同様に水分を外周側に排出できる上、羽根車４９Ａにおける基部６３Ａの上部の表面６３Ａaを、軸３５側に対して外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させているので、この基部６３Ａ上に落下した水分が外周側に重力によって流れ落ち、より効率的に水分の排出を行うことができ、モータ室５７への水分の浸入をより確実に防止することができる。

なお、第４の実施形態においても、前記した第２，第３の実施形態のような撥水処理、親水処理を施してもよく、この場合、羽６５Ａや羽根車ハウジング４７の上壁下面４７ｅに限らず、基部６３Ａの表面６３Ａa上に、撥水処理、親水処理を施してもよい。

図５は、本発明の第５の実施形態を示す水素循環ポンプにおける羽根車４９Ｂを示す、前記図３に対応する斜視図である。この羽根車４９Ｂは、図３に示した羽６５に代えて、羽根車４９Ｂの矢印Ｒで示す回転方向前方に向けて円弧状に屈曲する前向き羽６５Ｂを設けている。

ここで、前向き羽６５Ｂから出る流体の絶対速度ベクトルは、前向き羽６５Ｂの回転方向の速度ベクトルＶ1と、前向き羽６５Ｂと流体との相対速度ベクトルＶ2との和となるが、前向き羽６５Ｂとすることで、上記した速度ベクトルＶ1とＶ2との周方向成分が同じ向きになるので、絶対速度が高まり、前向き羽６５Ｂから流出する流体の流速が速くなる。

したがって、前向き羽６５Ｂとすることで、ポンプ室５９内に流入した水分を、平板状の羽６５としている図３の第１の実施形態に比較して、より効率よく外周側に排出することができる。

この際、前向き羽６５Ｂは、円弧状に屈曲させることで、単に例えば一箇所にて折り曲げるような場合に比較して、前向き角（回転方向前方への屈曲角度）を大きくとれるので、外周側へ排出する流体の流速を速くでき、水分の排出効率をより高めることができる。

図６は、本発明の第６の実施形態を示す水素循環ポンプにおける羽根車４９Ｃを示す、前記図３に対応する斜視図である。この羽根車４９Ｃは、図３に示した羽６５に代えて、羽根車４９Ｃの矢印Ｒで示す回転方向とは逆の、回転方向後方に向けて円弧状に屈曲する後向き羽６５Ｃを設けている。

後向き羽６５Ｃとすることで、前記図５に示した前向き羽６５Ｂとした場合に対し、外周側に向けて排出する流体の速度（動圧）は遅く（低く）なるが、静圧が高くなるので、この高くなる静圧の作用によって水分を外周側へ効率よく排出することができる。

図７は、本発明の第７の実施形態を示す水素循環ポンプにおける羽根車４９Ｄを示す、前記図３に対応する斜視図である。この羽根車４９Ｄは、図３に示した流体排出部となる羽６５に代えて、軸３５から外周側に向けて放射状に延びる溝７９を、基部６３Ｄ上に設けている。

ここでの基部６３Ｄは、前記図４に示した基部６３Ａと同様に、上部の表面６３Ｄaを、軸３５側に対して外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させており、この傾斜面に沿って溝７９も傾斜している。

第７の実施形態においても、羽根車４９Ｄの回転に伴って、ポンプ室５９内に流入した水分を、前記羽６５に代わる溝７９が、遠心力の作用によって中心側から外周側の還流羽６１へ向けて飛ばし、シール材５５から離れる方向に排出するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第７の実施形態では、基部６３Ｄに単に溝７９を形成するだけなので、羽６５を設けるような第１の実施形態に比較して製造が容易となり、コスト低下を達成することができる。

なお、第７の実施形態においても、前記した第２，第３の実施形態のような撥水処理、親水処理を、溝７９や溝７９以外の基部６３Ｄ上に施してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す、図２の燃料電池システムに使用する水素循環ポンプの断面図である。 図１の水素循環ポンプを備える燃料電池システムの全体構成図である。 図１の水素循環ポンプにおける羽根車の斜視図である。 本発明の第４の実施形態を示す水素循環ポンプの断面図である。 本発明の第５の実施形態に係わる水素循環ポンプの羽根車を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態を係わる水素循環ポンプの羽根車を示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態を係わる水素循環ポンプの羽根車を示す斜視図である。

符号の説明

１，１Ａ 水素循環ポンプ（燃料循環ポンプ）
３ 燃料電池
１１ 水素循環通路（燃料循環通路）
３５ 軸（モータ部の回転軸，羽根車の回転軸）
３９ モータケーシング
４３ モータ部
４７ 羽根車ケーシング
４７ｃ 羽根車ケーシングの上壁（隔壁）
４７ｅ 羽根車ケーシングの上壁の下面（隔壁と流体排出部との互いの対向部位）
４９，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ，４９Ｄ 羽根車
６１ 還流羽（羽根部）
６３，６３Ａ，６３Ｄ 基部
６３Ａa，６３Ｄａ 羽根車の基部の表面
６５，６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ 羽（板状部材，流体排出部）
６５ａ，６５Ａａ 上端縁（隔壁と流体排出部との互いの対向部位）
７９ 溝（流体排出部）

Claims (10)

1. モータ部の回転軸と、このモータ部により回転して流体を移送する羽根車の回転軸とを、互いに同軸上に連続して配置するポンプにおいて、前記羽根車は、外周側の羽根部と、この羽根部より内周側に位置する基部とを有し、前記モータ部を収納するモータケーシングと、前記羽根車を格納する羽根車ケーシングとの間の隔壁に対向する前記羽根車の基部上に、前記羽根車の回転により中心側から外周側へ流体を排出する流体排出部を設けたことを特徴とするポンプ。
2. 前記流体排出部は、前記羽根車の回転軸から外周側に向けて放射状に延びる板状部材で構成したことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記流体排出部は、前記羽根車の回転軸から外周側に向けて放射状に延びる溝で構成したことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
4. 前記隔壁と前記流体排出部との少なくともいずれか一方に、撥水処理を施したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプ。
5. 前記隔壁と前記流体排出部との少なくともいずれか一方に、親水処理を施したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 前記モータ部を鉛直方向上部に前記羽根車を同下部にそれぞれ配置し、前記隔壁と前記流体排出部との互いの対向部位を、前記羽根車の回転軸側に対し外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のポンプ。
7. 前記モータ部を鉛直方向上部に前記羽根車を同下部にそれぞれ配置し、前記羽根車の基部の表面を、前記羽根車の回転軸側に対し外周側が鉛直方向下方となるよう傾斜させたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のポンプ。
8. 前記板状部材は、前記羽根車の回転方向前方に向けて屈曲していることを特徴とする請求項２，４ないし７のいずれか１項に記載のポンプ。
9. 前記板状部材は、前記羽根車の回転方向後方に向けて屈曲していることを特徴とする請求項２，４ないし７のいずれか１項に記載のポンプ。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のポンプは、燃料電池から排出される排出燃料を、燃料循環通路を通して循環させて前記燃料電池に再度供給する燃料循環ポンプであり、この燃料循環ポンプを前記燃料循環通路に設けたことを特徴とする燃料電池システム。

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