JP2007192179A - ポンプおよび燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 羽根車ケーシング内のポンプ室から、モータケーシング内のモータ室内への流体の浸入を防止する。
【解決手段】高圧燃料タンク３から燃料供給通路５を経て燃料電池１に水素を供給し、燃料電池１から排出される水素を、燃料循環通路１３を通して燃料供給通路５に戻す。燃料循環通路１３と燃料供給通路５との接続部に、燃料循環通路１３から燃料供給通路５に燃料を送り込む昇圧ポンプ１１を設置する。昇圧ポンプ１１は、ポンプ部の回転軸とモータ部の回転軸を同一軸線上に設定し、高圧燃料タンク３からの高圧水素を、昇圧ポンプ１１におけるモータ部の回転軸の軸端からその周囲を通してポンプ室に向けて送り込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転軸と、このモータ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してなるポンプおよび、このポンプを燃料循環手段として使用する燃料電池システムに関する。

モータの回転軸と、このモータ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したうえで、モータをモータケーシング内に格納するとともに、羽根車を羽根車ケーシング内に格納するポンプとしては、例えば下記特許文献１に記載されているような、車両用エンジンの冷却水循環機構に用いたものが知られている。
特開２００４−１６２５５１号公報

上記したようなポンプにおいては、羽根車ケーシング内のポンプ室から、モータケーシング内のモータ室内に、水などの導電性流体が入り込んだ場合には、モータの特に電気部品に悪影響を及ぼすという問題がある。

そこで、本発明は、羽根車ケーシング内のポンプ室から、モータケーシング内のモータ室内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、モータの回転軸と、このモータ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しつつ、前記モータをモータケーシング内に格納するとともに、前記羽根車を羽根車ケーシング内に格納するポンプにおいて、前記モータケーシング内の圧力を前記羽根車ケーシング内の圧力より高くすることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、モータケーシング内の圧力を羽根車ケーシング内の圧力より高くしているので、羽根車ケーシング内のポンプ室から、モータケーシング内のモータ室内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の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、車両に搭載されるもので、燃料電池１の燃料入口と、燃料である水素ガスを高圧に貯蔵する高圧燃料タンク３とを、燃料供給通路５で接続し、燃料供給通路５には、高圧燃料タンク３側から減圧弁７，圧力調整弁９，本発明のポンプに相当する昇圧ポンプ１１を順次設置している。減圧弁７および圧力調整弁９は、減圧手段を構成している。

燃料電池１の燃料出口には燃料循環通路１３の一端を接続し、燃料循環通路１３の他端は、前記した昇圧ポンプ１１に接続する。

一方、燃料電池１の空気入口と空気コンプレッサ１５とは、空気供給通路１７で接続し、燃料電池１の空気出口には空気排出通路１９を接続する。

また、燃料電池１と昇圧ポンプ１１との間の燃料供給通路５には、燃料の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ２１を設けてあり、圧力センサ２１の検出信号は、コントロールユニット２３に入力される。このコントロールユニット２３には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２５の検出信号も入力される。

また、コントロールユニット２３は、上記した圧力センサ２１やアクセル開度センサ２５の検出信号の入力を受けて、前記した減圧弁７，圧力調整弁９，昇圧ポンプ１１および空気コンプレッサ１５を、駆動回路２７を介して駆動制御する。

図２は、上記した昇圧ポンプ１１の内部構造を示す断面図である。この昇圧ポンプ１１は、羽根車であるインペラ２９を、その回転軸となるインペラシャフト３１の図２中で下部側の外周に固定した状態で、羽根車ケーシングとしてのポンプケーシング３３内のポンプ室３５に格納している。

ポンプケーシング３３は、図２中で上下が開口したケーシング本体３７と、ケーシング本体３７の下部開口を覆うキャップ３８とを有し、キャップ３８とインペラシャフト３１との間に下部ベアリング３９を介装している。また、インペラ２９の外周側の上面とケーシング本体３７との間に、流体としての前記した水素が流れる流路４１を形成している。この流路４１の水素吸入側に燃料循環通路１３を接続するとともに、同水素吐出側に燃料供給通路５を接続する。

さらに、上記したケーシング本体３７に隣接してその上部には、モータケーシング４３を設け、このモータケーシング４３内に、前記したインペラシャフト３１を延長してモータの回転軸３１ａとしている。

すなわち、この昇圧ポンプ１１は、モータの回転軸３１ａと、このモータによって回転して流体を移送するインペラ３５の回転軸（インペラシャフト３１）とを、互いに同軸上に連続して配置している。

インペラシャフト３１のモータケーシング４３側の端部外周とモータケーシング４３との間には、上部ベアリング４５を介装している。また、この上部ベアリング４５とインペラ２９との間のインペラシャフト３１の外周に永久磁石４５を設けることで、モータロータを構成し、その外周側のモータケーシング４３に形成した凹部４３ａには、モータステータとなるモータコイル４７を設けている。また、モータケーシング４３のモータコイル４７より外周側には、冷却水通路４９を設け、モータによる発熱を抑制している。

また、図２中で左側のポンプケーシング３３とモータケーシング４３との間に、ポンプ室３５と燃料電池１側の燃料供給通路５とを連通する燃料出口５１を形成する。さらに、ポンプ室３５には、インペラシャフト３１の外周側に形成してあるシャフト外周燃料通路５３が連通している。

上記したシャフト外周燃料通路５３は、インペラシャフト３１のポンプケーシング３３２と反対側の端部周辺とモータケーシング４３との間の軸端空間５３ａと、インペラシャフト３１と上部ベアリング４５との間のベアリング隙間５３ｂと、インペラシャフト３１とモータコイル４７との間に形成してあるコイル隙間５３ｃとを有している。このコイル隙間５３ｃの下端に、インペラ２９のボス部２９ａの上端を挿入し、この挿入部周辺の隙間を介して、ポンプ室３５とシャフト外周燃料通路５３とが互いに連通している。

そして、上記したシャフト外周燃料通路５３の軸端空間５３ａに、前記した燃料供給通路５の高圧燃料タンク３側を接続する。すなわち、高圧燃料タンク３と軸端空間５３ａとの間の燃料供給通路５が燃料通路を構成している。

このような構造の昇圧ポンプ１１を備えた燃料電池システムにおいて、高圧燃料タンク３内の燃料は、燃料供給通路５を流れる際に、減圧弁７で減圧された後、圧力調整弁４でさらに減圧および調圧され、昇圧ポンプ１１を経て燃料電池１に供給される一方、空気コンプレッサ１５で圧縮された空気が、空気供給通路１７を通って燃料電池１に供給され、それぞれ供給された燃料と空気とで燃料電池１が発電する。

発電状態の燃料電池１は、余剰の燃料を燃料循環通路１３に排出し、この排出燃料が昇圧ポンプ１１の駆動により再度燃料電池１に供給される一方、排出する空気を空気排出通路１９を経て外部に放出する。

ここで、高圧燃料タンク３から、減圧弁７および圧力調整弁９を経て昇圧ポンプ１１に達する燃料であるドライな水素は、図２に示すように、インペラシャフト３１とモータケーシング４３との間に形成してあるシャフト外周燃料通路５３を流れてから、ポンプ室３５に流入し、燃料出口５１を経て燃料電池１側の燃料供給通路５に流出する。この際、燃料循環通路１３からポンプ室３５に流入する循環燃料も、燃料電池１側の燃料供給通路５に流出する。

このような燃料電池システムの稼働時に、昇圧ポンプ１１の燃料ガスが供給されるモータケーシング４３内（シャフト外周燃料通路５３）の圧力は、燃料循環通路１３から循環燃料が入り込んでいるポンプ室３５内の圧力よりも高くなっている。

このように、本燃料電池システムで使用する昇圧ポンプ１１においては、高圧燃料タンク３内の燃料ガスであるドライ水素を、減圧弁７および圧力調整弁９を経てモータケーシング４３内に導入することで、モータケーシング４３内（シャフト外周燃料通路５３）の圧力を、ポンプ室３５内の圧力すなわちポンプケーシング３３内の圧力よりも高くしている。

この際、ポンプ室３５内には、燃料電池１から排出される水分を含む水素が、燃料循環通路１３を経て入り込んでいるが、この水分を含む水素は、上記したモータケーシング４３側の高圧のドライ水素によって、モータケーシング４３側への浸入が阻止される上、シャフト外周燃料通路５３に導入したドライ水素により、ポンプ室３５内の水分を含む水素を乾燥させることができる。この結果、導電性流体である水分のモータ側への浸入を防止でき、モータコイル４７などの電気部品の絶縁抵抗低下を防止することができる。

また、本実施形態によれば、ドライ水素は、減圧弁７および調圧弁９で減圧される際に冷却されるため、モータケーシング４３内に導入された際に、モータコイル４７などのモータの発熱部を、低温下したドライ水素によって直接冷却でき、モータの冷却効率を高めることができる。これにより、冷却水通路４９の縮小もしくは廃止が可能となり、昇圧ポンプ１１全体として大幅な小型軽量化が可能となる。

さらに、本実施形態によれば、高圧燃料タンク３から供給されるドライ水素内に混入する金属粉を、ドライ水素がシャフト外周燃料通路５３を流れる際に、インペラシャフト３１に取り付けた永久磁石４５で吸着し捕捉することができる。このため、燃料供給通路５に金属粉を捕捉するフィルタを設ける必要がなくなり、燃料供給通路５における圧力損失の低下および、それに伴う昇圧ポンプ１１の小型化が可能となる。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す昇圧ポンプ１１Ａの内部構造を示す断面図である。この昇圧ポンプ１１Ａは、前記図２に示した第１の実施形態おける昇圧ポンプ１１に対し、インペラシャフト３１のモータ側端部をモータケーシング４３の外部にまでさらに延長し、この延長部３１ｂにタービン５５を設けている。

タービン５５はタービンケーシング５７内に収容し、タービンケーシング５７内のタービン室５８は、前記したシャフト外周燃料通路５３の軸端空間５３ａに連通している。その他の構成は、前記図２に示した昇圧ポンプ１１と同様であり、同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

第２の実施形態によれば、前記図１に示してある圧力調整弁９を通過したドライ水素は、タービンケーシング５７内に流入し、タービン５５を回転させることにより、インペラシャフト３１に対して回転力をアシストする。このため、本昇圧ポンプ１１Ａの消費電力を、第１の実施形態の昇圧ポンプ１１に比較して低減することができる。

また、本実施形態においても、タービンケーシング５７を経てモータケーシング４３内に導入されるドライ水素を、第１の実施形態と同様にして、インペラ−シャフト３１外周のシャフト外周燃料通路５３に沿ってポンプ室３５に導入している。このため、モータケーシング４３内（シャフト外周燃料通路５３）の圧力が、ポンプ室３５内の圧力よりも高くなり、ポンプ室３５からモータケーシング４３側への水分の浸入を防止することができるとともに、モータ内部の冷却および金属粉の捕捉などの効果を得ることができる。

本発明の第３の実施形態を、図４に示すフローチャートに基づき説明する。第３の実施形態は、前記図３に示したタービン５５を備える昇圧ポンプ１１Ａを用い、低温起動時などでインペラ２９が氷結しているときに、ドライ水素によりタービン５５に瞬間的に大きなトルクを与え、氷結状態を解除するものである。

燃料電池システムにおいて、低温起動時などにインペラ２９が付着水によって氷結し固着する場合には、駆動回路２７の昇圧ポンプ１１Ａに対する起動信号（ステップ４０１）にも拘わらず、コントロールユニット２３に昇圧ポンプ１１Ａから回転信号が返送されてこないため、コントロールユニット２３は、インペラ２９が起動せず固着していると判定する（ステップ４０３，４０５）。逆に、回転信号が返送された場合には、インペラ２９が起動していると判定する（ステップ４０３，ステップ４０７）
インペラ２９が固着していると判定した場合には、コントロールユニット２３が、圧力調整弁９をステップ的に開弁してドライ水素をタービン５５に突入させることにより（ステップ４０９）、タービン５５に瞬間的に大トルクを発生させる。

その後、インペラ２９の回転起動信号をコントロールユニット２３が受信したら（ステップ４１１）、インペラ２９は氷結が解除されて回転移行したものとし、起動判定となる（ステップ４０７）。

したがって、ここでは、コントロールユニット２３が羽根車氷結判定手段を含み、圧力調整弁９が氷結解除用圧力調整手段を構成していることになる。

このように、第３の実施形態においては、低温起動時などインペラ２９が氷結しているときに、ドライ水素によりタービン５５を大トルクで回転させて氷結状態を解除するので、燃料電池システムの低温時での起動を容易にすることができる。

本発明の第４の実施形態を、図５に示す供給水素圧力の変動図に基づき説明する。第４の実施形態は、第３の実施形態と同様に、前記図３に示したタービン５５を備える昇圧ポンプ１１Ａを用い、前記図１におけるアクセル開度センサ２５が、アクセル開度の急激な開放を検出した場合で、かつ、燃料供給通路５に設けてある圧力センサ２１が、上記急開放により増大する燃料供給量に対し、低い圧力ｐ1を検出しているときに、コントロールユニット２３が、前記図３に示した第３の実施形態と同様に、圧力調整弁９をステップ的に開弁させてドライ水素をタービン５５に突入させる。

これにより、タービン５５を時間ｔ1にて急加速回転させ、燃料供給通路５内の圧力を、目標圧力ｐ2以上のｐ3まで短時間に昇圧し、駆動回路２７が昇圧ポンプ１１Ａに出力する回転信号以上に昇圧することで、昇圧時間を短縮することが可能となる。昇圧後は、圧力調整弁９のステップ的な開弁動作を停止することで、通常の目標圧力p2に低下し安定する。

したがって、ここでは、コントロールユニット２３が燃料制御手段を含み、圧力調整弁９が燃料増加用圧力調整手段を構成していることになる。

このように、第４の実施形態においては、昇圧ポンプ１１Ａを低回転から高回転へ加速する場合に、駆動回路２７の影響で加速度が制限される場合であっても、アクセル開度から加速と判定した場合に、高圧燃料タンク３からの供給水素をステップ的にタービン５５に導入することにより、駆動回路２７の出力信号の制限以上に昇圧ポンプ１１Ａを加速回転させることができ、加速応答性を高めることができる。

図６は、上記のように圧力調整弁９をステップ的に開弁してタービン５５を回転させる場合、つまりモータ駆動に対してタービン５５によるアシストを行った場合（実線）と、モータ駆動のみ（破線）とを比較しているが、前者のほうが昇圧ポンプ１１Ａの回転数が急激に上昇していることがわかる。

図７は、本発明の第５の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。なお、図７においては、前記図１に示した第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。この燃料電池システムは、車両に搭載されるもので、燃料電池１の燃料入口と、燃料である水素ガスを高圧に貯蔵する高圧燃料タンク３とを、燃料供給通路５で接続し、燃料供給通路５には圧力調整弁９を設置している。

燃料電池１の燃料出口には燃料循環通路１３の一端を接続し、燃料循環通路１３の他端は、前記した圧力調整弁９と燃料電池１との間の燃料供給通路５に接続する。燃料循環通路１３には、燃料電池１側から水セパレータ５９および昇圧ポンプ１１Ｂを順次配置している。なお、ここでの昇圧ポンプ１１Ｂは、燃料循環通路１３における燃料供給通路５への接続部より上流側に配置している。

昇圧ポンプ１１Ｂの詳細構造は、図８を用いて後述するが、この昇圧ポンプ１１Ｂのモータケーシング６１には、高圧のドライ水素を貯蔵する高圧燃料タンクとしての圧力源６３を、燃料通路６５を介して接続している。燃料通路６５には開閉弁６７を設置する。

水セパレータ５９は、燃料電池１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６９を水セパレータ５９に接続し、水排出通路６９には水排出弁７１を設置する。

また、水セパレータ５９と昇圧ポンプ１１Ｂとの間の燃料循環通路１３には、パージ配管７３を接続し、パージ配管７３にはパージ弁７５を設置する。パージ弁７５は、燃料循環通路１３を循環している水素中に、燃料電池１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１の空気入口と空気コンプレッサ１５とは、空気供給通路１７で接続し、燃料電池１の空気出口には、空気排出通路１９を接続する。空気供給通路１７および空気排出通路１９には空気加湿器７７を設置する。空気加湿器７７は、空気コンプレッサ１５から燃料電池１に供給する空気を、空気排出通路１７を流れる水分を含む排出空気によって加湿する。

また、空気加湿器７７より下流の空気排出通路１７には、空気圧力調整弁７９を設置する。空気圧力調整弁７９は、空気コンプレッサ１５より下流の燃料電池１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２３は、前記した圧力調整弁９，昇圧ポンプ１１Ｂおよび空気コンプレッサ１５に加え、開閉弁６７，水排出弁７１，パージ弁７５および空気圧力調整弁７９を、駆動回路２７を介して駆動制御する。

図８に示すように、昇圧ポンプ１１Ｂは、羽根車であるインペラ８１を、インペラシャフト８３の図８中で下部側の端部外周に固定した状態で、羽根車ケーシングとしてのポンプケーシング８５内のポンプ室８７に格納している。ポンプケーシング８５の図８中で左側の一側部には、燃料電池１の出口側の燃料循環通路１３が接続される吸入ポート８８を設け、同右側の一側部には、燃料電池１の入口側の燃料循環通路１３が接続される流体吐出口としての吐出ポート８９を設けている。

ポンプケーシング８５は、その下壁８５ａのベアリング支持孔８５ｂとインペラシャフト８３との間に下部ベアリング９１を介装している。また、ポンプケーシング８５は、モータケーシング６１との間の隔壁となる上壁８５ｃのシール嵌入孔８５ｄとインペラシャフト８３との間にシール部材９３を介装している。

モータケーシング６１は、図８中で下部が開放している中空部材で構成し、前記したインペラシャフト８３を上方に延長してモータの回転軸８３ａとしている。

すなわち、この昇圧ポンプ１１Ｂは、モータの回転軸８３ａと、このモータによって回転して流体を移送するインペラ８１の回転軸（インペラシャフト８３）とを、互いに同軸上に連続して配置している。

インペラシャフト８３のモータケーシング６１側の端部外周とモータケーシング６１のベアリング支持部６１ａとの間には、上部ベアリング９５を介装している。また、モータケーシング６１内におけるインペラシャフト８３の外周には、永久磁石９７を設けて、モータロータを構成し、その外周側のモータケーシング６１の内周面には、モータステータとなるモータコイル９９を設けている。

そして、前述したように、圧力源６３に接続する燃料通路６５を、モータケーシング６１の内部に連通するよう接続することで、モータケーシング６１内のモータ室１０１の圧力を、ポンプケーシング８５内のポンプ室８７の圧力より高くしている。

このような構造の昇圧ポンプ１１Ｂを備えた燃料電池システムにおいて、高圧燃料タンク３内の燃料は、燃料供給通路５を流れる際に、圧力調整弁９で減圧および調圧されてから燃料電池１に供給される一方、空気コンプレッサ１５で圧縮された空気が、空気供給通路１７を通って燃料電池１に供給され、それぞれ供給された燃料と空気とで燃料電池１が発電する。

発電状態の燃料電池１は、余剰の燃料を燃料循環通路１３に排出し、水セパレータ５９および昇圧ポンプ１１Ｂを経て再度燃料電池１に供給される一方、排出する空気を空気排出通路１９を経て外部に放出する。この際、空気加湿器７７により、空気排出通路１９を流れる排出空気中の水分が、空気供給通路１７を流れる空気を加湿し、加湿後の空気を燃料電池１に供給することになる。

ここで、昇圧ポンプ１１Ｂにより燃料循環通路１３を循環させている水素中には、燃料電池１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７５を開いて燃料循環通路１３内の圧力を下げる。

燃料循環通路１３の圧力低下により、ポンプ室８７とシール部材９３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６１内の圧力も低下する。燃料循環通路１３の圧力が所定の圧力まで下がったら、再度パージ弁７５を閉じることで、燃料循環通路１３の圧力は上昇するが、その際、モータケーシング６１内には圧力源６３から高圧のドライ水素を導入しているので、モータケーシング６１内の圧力は、ポンプケーシング８５内の圧力より高い状態が確保される。

このため、燃料電池１から流出する水分を含む水素が燃料循環通路１３を流れ、ポンプケーシング８５内に流入しても、この水素中の水分のモータケーシング６１内への浸入を防止でき、モータコイル９９の絶縁抵抗低下を防止することができる。

また、本実施形態においても、モータケーシング６１に導入するドライ水素によって、モータコイル４７などのモータの発熱部を直接冷却でき、モータの冷却効率を高めることができる。

図９は、本発明の第６の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図、図１０は昇圧ポンプ１１Ｂを含むその周辺の構造を示す断面図である。第６の実施形態は、前記図７に示した第５の実施形態に対し、上記した昇圧ポンプ１１Ｂ周辺の構造が異なっている。

すなわち、この実施形態では、図７における圧力源６３，燃料通路６５および開閉弁６７を設ける代わりに、昇圧ポンプ１１Ｂ下流の燃料循環通路１３を、配管１０３によりモータケーシング６１内に連通接続している。その際、昇圧ポンプ１１Ｂ下流でかつ配管１０３より上流の燃料循環通路１３には、水分離手段としての水セパレータ１０５を設置している。

水セパレータ１０５には、分離後の水分を排出する水排出通路１０７を接続し、水排出通路１０７には水排出弁１０９を設置する。その他の構成は、前記図７に示した第５の実施形態と同様であり、第５の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。

上記した第６の実施形態においては、昇圧ポンプ１１Ｂの吐出ポート８９から吐出して高圧となった水素を、水セパレータ１０５で水分を分離し除去した状態でモータケーシング６１内に導入しているので、モータケーシング６１内の圧力を、ポンプケーシング８５内の圧力より高い状態とすることができる。

このため、燃料電池１から流出する水分を含む水素が燃料循環通路１３を流れ、ポンプケーシング８５内に流入しても、この水素中の水分のモータケーシング６１内への浸入を防止でき、モータコイル９９の絶縁抵抗低下を防止することができる。

なお、上記した第６の実施形態では、前記図７に示した第５の実施形態における圧力源６３が不要であることから、第５の実施形態に比較して全体のシステム構成を簡素化することができる。

図１１は、本発明の第７の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図、図１２は昇圧ポンプ１１Ｂを含むその周辺の構造を示す断面図である。第７の実施形態は、前記図７に示した第５の実施形態に対し、上記した昇圧ポンプ１１Ｂ周辺の構造が異なっている。

すなわち、この実施形態では、図７における圧力源６３，燃料通路６５および開閉弁６７を設ける代わりに、高圧燃料タンク３と圧力調整弁９との間の燃料供給通路５から、分岐通路１１１を分岐させ、この分岐通路１１１をモータケーシング６１内に連通接続している。その際、分岐通路１１１には、開閉弁としてのシャット弁１１３を設置している。

上記した第７の実施形態においては、高圧燃料タンク３からの高圧でドライな水素を、シャット弁１１３を開弁した状態でモータケーシング６１内に導入しているので、モータケーシング６１内の圧力を、ポンプケーシング８５内の圧力より高い状態とすることができる。

このため、燃料電池１から流出する水分を含む水素が燃料循環通路１３を流れ、ポンプケーシング８５内に流入しても、この水素中の水分のモータケーシング６１内への浸入を防止でき、モータコイル９９の絶縁抵抗低下を防止することができる。

また、第７の実施形態では、図１３のフローチャートに示すように、パージ弁７５が閉じているときにシャット弁１１３を開くことで（ステップ１３０５，１３０７，１３０９）、換言すれば、パージ弁７５が開いたときにはシャット弁１１３を閉じることになり（ステップ１３０７，１３０１，１３０３）、パージ弁７５の開弁によるポンプケーシング８５内の圧力低下時に、必要以上の水素をモータケーシング６１内に供給する必要がなくなる。これにより、水素の消費量やポンプ損失を抑えることができ、燃料システム全体としての効率が向上する。

なお、上記した第７の実施形態では、シャット弁１１３を省略してもよく、また前記図７に示した第５の実施形態における圧力源６３が不要であることから、第５の実施形態に比較して全体のシステム構成を簡素化することができる。

また、第７の実施形態では、圧力調整弁９の下流の燃料供給通路５から、モータケーシング６１に水素を導入しても、上記と同様の効果を得ることができる。

上記した第７の実施形態におけるシャット弁１１３とパージ弁７５との関係は、前記図７に示した第５の実施形態における開閉弁６７とパージ弁７５との間でも同様であり、これら各弁６７，７５を、第７の実施形態と同様な開閉操作を行うことで、水素の消費量やポンプ損失を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 図１の燃料電池システムに使用する昇圧ポンプの内部構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す昇圧ポンプの内部構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態を示す供給水素圧力の変動図である。 第４の実施形態でのタービンへ水素を供給した場合と、そうでない場合とのインペラの回転上昇速度を比較して示した説明図である。 本発明の第５の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 第５の実施形態における昇圧ポンプを含むその周辺の構造を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 第６の実施形態における昇圧ポンプを含むその周辺の構造を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 第７の実施形態における昇圧ポンプを含むその周辺の構造を示す断面図である。 第７の実施形態に係わるフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 高圧燃料タンク
５ 高圧燃料タンクと昇圧ポンプとの間の燃料供給通路（燃料通路）
７ 減圧弁（減圧手段）
９ 圧力調整弁（減圧手段，氷結解除用圧力調整手段，燃料増加用圧力調整手段）
１１，１１Ａ，１１Ｂ 昇圧ポンプ（ポンプ）
１３ 燃料循環通路
２１ 圧力センサ（圧力検出手段）
２３ コントロールユニット（羽根車氷結判定手段，燃料制御手段）
２９，８１ インペラ
３３，８５ ポンプケーシング（羽根車ケーシング）
４３，６１ モータケーシング
５５ タービン
６５ 燃料通路
６７ 開閉弁
７５ パージ弁
８９ 吐出ポート（流体吐出口）
１０３ 配管
１０５ 水セパレータ（水分離手段）
１１１ 分岐通路
１１３ シャット弁（開閉弁）

Claims (11)

1. モータの回転軸と、このモータ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しつつ、前記モータをモータケーシング内に格納するとともに、前記羽根車を羽根車ケーシング内に格納するポンプにおいて、前記モータケーシング内の圧力を前記羽根車ケーシング内の圧力より高くすることを特徴とするポンプ。
2. 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ポンプであって、前記羽根車ケーシングと反対側に位置する前記モータ回転軸の端部の周囲と、前記燃料電池に供給する燃料を高圧貯蔵する高圧燃料タンクとを燃料通路で接続し、前記高圧燃料タンク内の燃料を、前記モータ回転軸の端部の周囲から前記モータ内部を通して前記羽根車ケーシング内に導入することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記燃料通路に、前記高圧燃料タンク内の燃料を減圧する減圧手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のポンプ。
4. 請求項２または３に記載のポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料通路に開閉弁を設けるとともに、前記燃料循環通路における前記燃料電池の燃料排出側に、排出燃料を外部に排出するパージ弁を設け、前記開閉弁は、前記パージ弁が開いたときに閉じることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記ポンプを、前記燃料循環通路における前記燃料供給通路への接続部より上流側に配置するとともに、前記モータ回転軸の端部の周囲に接続する燃料通路を、前記高圧燃料タンクの下流側で分岐する分岐通路で構成し、この分岐通路に前記開閉弁を設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記モータ回転軸の端部にタービンを設け、このタービンは、前記高圧燃料タンク内から前記モータ回転軸の端部の周囲に向けて流れる燃料によって回転することを特徴とする請求項２または３に記載のポンプ。
7. 請求項６に記載のポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記羽根車が氷結しているかどうかを判定する羽根車氷結判定手段と、この羽根車氷結判定手段が前記羽根車が氷結していると判定したときに、前記タービンの回転力を高めるよう前記高圧燃料タンクからの燃料の圧力を調整する氷結解除用圧力調整手段とを、それぞれ設けたことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６に記載のポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給する燃料を制御する燃料制御手段を設け、この燃料制御手段による燃料増加制御量が所定値以上のときに、前記タービンの回転力を高めるよう前記高圧燃料タンクからの燃料の圧力を調整する燃料増加用圧力調整手段とを、それぞれ設けたことを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記燃料電池に供給する燃料の圧力を検出する圧力検出手段を設け、前記燃料制御手段による燃料増加制御量が所定値以上でかつ、前記圧力検出手段が検出する燃料圧力が所定圧以下のときに、燃料増加用圧力調整手段が、前記タービンの回転力を高めるよう前記高圧燃料タンクからの燃料の圧力を調整することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記羽根車ケーシングの流体吐出口と前記モータケーシング内とを配管で接続したことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
11. 前記配管に、前記流体中の水を分離する水分離手段を設けたことを特徴とする請求項１０記載のポンプ。

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