JP2007247421A - 水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】インペラのバケット部が形成されるバケット形成面と、このバケット形成面と対向するハウジングの対向面と、のクリアランスを可変とする水素ポンプの提供を図る。
【解決手段】インペラ１１のバケット部１１ａが形成されるバケット形成面１１ｃと、このバケット形成面１１ｃに対向するハウジングの対向面１２ａとの間のクリアランスδを、可変とするクリアランス調整手段１００を備える。例えばポンプ１０の運転時にクリアランスδを小さくし、ポンプ１０の停止時にクリアランスδを大きくすることにより、運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２とが残留水分により凍結してしまうことを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ポンプに関し、特に燃料電池システムに適用するのに好適な水素ポンプに関する。

従来の水素ポンプには、インペラを備えた遠心式ポンプがあり、この遠心式の水素ポンプとしては、インペラの軸方向端面あるいはこれに対向するハウジングの対向面に同心円状の環状溝を形成して、凍結可能面積を減少させたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開平２００４−１５０２９８号公報（第４頁、第３図）

しかしながら、かかる従来の水素ポンプでは、インペラの軸方向端面とこれに対向するハウジングの対向面との間のクリアランスが一定となっている。そのため、環状溝によって凍結可能面積を減少させたとしても、クリアランスが小さい場合はやはり凍結してしまうため、そのクリアランスをある程度大きくせざるを得ない。ところが、このようにクリアランスを大きくするとポンプ効率が低下してしまう。そのため、従来の水素ポンプでは、凍結防止とポンプ効率向上の両方を同時に満足することが困難であった。

また、従来の水素ポンプでは、クリアランスが一定であるため、ポンプ運転中においてインペラ駆動電圧が過大になってしまっても、これに対処できない。

そこで本発明は、インペラとハウジングとの間のクリアランスを変更できる水素ポンプの提供を図る。

本発明にかかる水素ポンプは、ハウジングと、前記ハウジング内に回転自在に配置されたインペラと、前記インペラのバケット部が形成されるバケット形成面と、前記バケット形成面に対向するハウジングの対向面と、の間のクリアランスを可変とするクリアランス調整手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、インペラのバケットが形成されるバケット形成面と、このバケット形成面に対向するハウジングの対向面と、の間のクリアランスを適宜変更できる。このため、例えば以下のような具体的効果を奏することができる。

（１）ポンプ運転時に前記クリアランスを小さくし、ポンプ停止時にクリアランスを大きくすることで、ポンプ運転時にはポンプ効率を向上させることができ、一方、ポンプ停止時には残留水分によってインペラがハウジングに凍結するのを抑制できる。

（２）ポンプ運転中においてインペラ駆動電力が過大になるまたは過大になりそうな条件で前記クリアランスを大きくすることで、インペラ駆動電圧が過大にならないようにできる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

まず、以下の各実施形態の水素ポンプはいずれも燃料電池システムに適用されたものであるため、まず、燃料電池システム１について簡単に説明する。図２は燃料電池システムの概略構成図である。

図２に示すように燃料電池システム１は、燃料電池（燃料電池スタック）２と、燃料電池２に空気を供給する空気供給流路３ａと、燃料電池２から空気を排出する空気排出流路３ｂと、水素タンク４から燃料電池２に水素を供給する水素供給流路７ａと、燃料電池２から排水素を排出する水素排出流路７ｂと、を備えて構成され、燃料電池２で水素（燃料）と空気（酸化剤）とを化学反応させて発電するものである。

なお、水素供給流路７ａには上流側から下流側に向けて順番に減圧弁５および圧力調整弁６が介在しており、水素タンク４からの高圧の水素は適正な圧力まで減圧されて燃料電池２に供給される。

燃料電池２のアノードに供給された水素ガスは全てが消費されるわけではなく、未消費の水素ガスが燃料電池２から水素排出流路７ｂへ排出される。この未消費の排水素ガスを再利用すべく、水素供給流路７ａと水素排出流路７ｂとを連結する水素循環流路８に水素ポンプ１０が配置されて、この水素ポンプ１０により、燃料電池２から排出された排水素ガスが燃料電池２に再度供給される。

ここで、燃料電池２から水素排出流路７ｂへ排出される排水素ガスには、発電時に発生する生成水の他に燃料電池２のカソードから透過する窒素などの不純物も含まれており、水素ガス中の不純物濃度が一定の値を超えると、パージ弁９が開かれて系外に放出されるようになっている。

次に、水素ポンプについて詳しく説明する。なお、後述の各実施形態の水素ポンプはいずれも燃料電池システム１に用いられるものであるが、本発明の水素ポンプは燃料電池システム以外のその他のシステムに適用してもよい。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の水素ポンプの断面図である。水素ポンプ１０は、図１に示すようにインペラ１１の回転により、吸入した水素ガスを加圧して吐出する渦流式ポンプとして構成される。この水素ポンプ１０は、ハウジング１２と、ハウジング１２内に回転自在に軸支されたインペラ１１と、ハウジング１２内に固定され前記インペラ１１を回転させる電動モータ１３と、を備えて構成されている。

インペラ１１は、ハウジング１２内に設けられたポンプ室３４に回転自在に収容されており、回転軸１３ｃを中心として略円板状に形成されている。本実施形態では、インペラ１１の回転軸１３ｃが上下方向に沿って配置され、その上下端部が、軸受１５、１５ａを介してハウジング１２に回転自在に軸支されている。

インペラ１１の上側つまりポンプ室３４の上側には、前記電動モータ１３が配置されており、インペラ１１の回転軸１３ｃの上側に電動モータ１３のロータ１３ｂが固定されている。別の言い方をすれば、電動モータ１３のロータ１３ｂの中心部から突出する出力軸１３ｃが、インペラ１１の回転軸１３ｃになっている。これにより、電動モータ１３に通電して電動モータ１３のロータ１３ｂが回転すると、電動モータ１３の出力軸１３ｃつまりインペラ１１の回転軸１３ｃを介してインペラ１１が回転する。

電動モータ１３は、周知の構造であって、ハウジング１２に固定された筒状のステータ１３ａと、このステータ１３ａの内周側の中空部（ロータ室３２）に回転可能に配置され且つその中心部から前記出力軸１３ｃが突出するロータ１３ｂと、を備えて構成されている。

ハウジング１２には、ガス吸入口（図示省略）からガス吐出口（図示省略）へ向けて水素ガスを流すガイド流路１２ｂが設けられている。ガイド流路１２ｂの一部は、ポンプ室３４に露出しており、このガイド流路１２ｂのポンプ室３４に露出する部位に、インペラ１１の外周部の上面が近接して対向配置されている。このインペラ外周部上面には、インペラ回転時にガイド流路１２ｂ内の水素ガスが下流側に送り出すためのバケット部１１ａが設けられている。

このような構成により、インペラ１１が回転すると、ガス吸入口（図示省略）を通じて外部から水素ポンプ１０内に吸入された水素ガスが、バケット部１１ａで加圧されて吐出口（図示省略）から水素ポンプ１０外に吐出されることとなる。

次に、インペラ１１の支持構造をより詳しく説明する。

ロータ１３ｂを収容するロータ室３２の上方には、当該ロータ室３２と連通する軸受収容室Ｒ１が設けられており、この軸受収容室Ｒ１に軸受１５を介してインペラ１１の回転軸１３ｃの上端部が軸支されている。一方、インペラ１１を収容するポンプ室３４の下方には、当該ポンプ室３４と連通する軸受収容室Ｒ２が設けられており、この軸受収容室Ｒ２に軸受１５ａをインペラ１１の回転軸１３ｃの下端部が軸支されている。

両軸受収容室Ｒ１、Ｒ２には、インペラ１１の回転軸１３ｃの軸方向の移動を許容する移動スペースが設けられており、これによりインペラ１１がその回転軸１３ｃの軸方向（上下方向）に移動可能となっている。なお、インペラ１１の回転軸１３ｃに電動モータ１３のロータ１３ｂが固定されているため、インペラ１１が移動するとインペラ１１とともにロータ１３ｂも移動する。つまり、電動モータ１３のロータ１３ｂとインペラ１１とが回転軸１３ｃによって一体になったインペラ組立体１４が、その回転軸１３ｃに沿って移動可能となっている。

ハウジング１２の下端部には、インペラ組立体１４をハウジング１２に着脱するための開口部１２ｃが形成されており、この開口部１２ｃはハウジング１２の一部を構成するカバー１２ｄによって開閉可能に塞がれている。

次に、クリアランス調整手段について説明する。

本実施形態の水素ポンプ１０は、インペラ１１のバケット部１１ａが形成されるバケット形成面１１ｃと、このバケット形成面１１ｃに対向するハウジングの対向面１２ａと、の間のクリアランスδを、調整するクリアランス調整手段１００を備えている。本発明のクリアランス調整手段は様々な態様で具現化されるが、本実施形態のクリアランス調整手段１００はインペラ１１をその回転軸１３ｃの軸方向（この例では上下方向）に相対的に移動させるインペラ移動手段１１０として構成されている。

本実施形態のインペラ移動手段１１０は、インペラ組立体１４をクリアランスδが増大する方向（この例では下方）に常時付勢する付勢手段としての予圧バネ１１１と、電動モータ１３の通電時にインペラ組立体１４のロータ１３ｂをクリアランスδが減少する方向に移動させるステータ１３ａと、を備えて構成されている。

予圧ばね１１１は、回転軸１３ｃの上端とハウジング１２との間に配置された圧縮バネとして構成され、回転軸１３ｃを常時下方に押圧付勢することにより、インペラ１１を下方に押し下げてバケット形成面１１ｃとその対向面１２ａとの間のクリアランスδが拡大する方向に常時付勢している。

ステータ１３ａへの通電がない場合には、予圧ばね１１１によってインペラ組立体１４が所定位置よりも下方にずれて位置することで、インペラ１１とバケット対向位置１２ａとの間のクリアランスδが大きくなっている。そして、ステータ１３ａへの通電すると、ステータ１３ａが発生させる磁力によってロータ１３ｂが予圧ばね１１１の付勢力に抗して上方に引き寄せられて、クリアランスδが減少する。つまり、この実施形態の水素ポンプ１０では、ポンプ１０の運転時にクリアランスδが小さくなり、ポンプ１０の停止時にそのクリアランスδが大きくなる。

次に、第１実施形態の効果を列挙する。

本実施形態の水素ポンプ１０は、インペラ１１の外周側においてバケット部１１ａが形成されたバケット形成面１１ｃと、このバケット形成面１１ｃに対向するハウジングの対向面１２ａと、の間のクリアランスを可変とするクリアランス調整手段１００を備える。そのため、ポンプ運転条件などに応じて、互いに近接した状態で対向配置されるバケット形成面１１ｃとその対向面１２ａとの間のクリアランスδを変更できる。

また本実施形態の水素ポンプ１０は、クリアランス調整手段１００によって、ポンプ１０の運転時にクリアランスδを小さくし、ポンプ１０の停止時にそのクリアランスδを大きくするものである。そのため、運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１がハウジング１２に氷着してしまうのを抑制できる。結果、寒冷時のポンプ停止時から、水素ポンプ１０を直ちに起動させることができる。

特に本実施形態の如く水素ポンプ１０が燃料電池システムに適用される場合、燃料電池２からの生成水や凝縮水等の水分が水素ポンプ１０内に流入することとなるため、低温環境下での凍結の問題が生じやすく、上記効果が有効となる。

また本実施形態の水素ポンプ１０は、クリアランス調整手段１００が、インペラ１１をその回転軸１３ｃに沿って移動させるインペラ移動手段１１０として構成されている。そのため、後述する第２〜４実施形態とは異なり、バケット形成面１１ｃ全体でクリアランスδを均等に設定できるため、クリアランスδの調整を行いやすい利点がある。

また本実施形態の水素ポンプ１０では、インペラ移動手段１１０が、インペラ組立体１４をクリアランスδが増大する方向（この例では下方）に常時付勢する付勢手段としての予圧バネ１１１と、電動モータ１３への通電時に、磁力によってロータ１３ｂを引き付けることでインペラ組立体１４をクリアランスδが減少する方向（この例では上方）に移動させるステータ１３ａと、を備えて構成されている。そのため、クリアランス調整手段１００（インペラ移動手段１１０）を、既存の電動モータ１３のステータ１３ａを用いて構成することができるので、その他の駆動手段を付加する必要がなく、安価となる。

なお本実施形態では、付勢手段として予圧バネ１１１を用いているが、その他の付勢手段を用いることができる。なお、インペラ組立体１４の軸方向を上下方向に向けて配置することでインペラ組立体１４の自重を利用する場合には、付勢手段を廃止できるため、構造を簡素化できる。無論、付勢手段を用いた場合は、インペラ組立体１４の軸方向がどちらの向きに配置されていてもガタが発生せずに、ポンプの取り扱いが容易になる利点がある。

（第２実施形態）
図３、図４を参照しつつ本発明の第２実施形態を説明する。図３は第２実施形態の水素ポンプの断面図、図４は同水素ポンプのインペラの平面図であり、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。

第２実施形態の水素ポンプ１０Ａは、クリアランス調整手段１００Ａが第１実施形態と異なる。即ち、第２実施形態のクリアランス調整手段１００Ａは、インペラ１１の中心部とバケット部１１ａが設けられる外周部との間においてこれらを連結するヒンジ部１１２として構成されている。ヒンジ部１１２は、対向面１２ａの延長線上よりもバケット形成面１１ｃとは反対側（上方）に配置されており、これにより回転に伴う遠心力でインペラ１１の外周部（バケット形成面１１ｃ）がハウジングの対向面１２ａに近接することとなる。なお、図４に示すようにインペラ１１のヒンジ部１１２よりも外周側は、複数のスリット１１ｂによって周方向に等間隔を分割されており、これによりヒンジ部１１２を中心とするインペラ１１の外周部の屈曲が容易に行われる。

以上のような構成により、水素ポンプ１０Ａが運転を開始すると、インペラ１１の回転によりインペラ１１の外周部に作用する遠心力によって、インペラ１１の外周部が上方に回動してインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃが、その対向面１２ａに近接する。一方、水素ポンプ１０Ａが停止すると、インペラ１１の回転遠心力が無くなるため、インペラ１１の外周部が自重により下方に回動して、インペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃがその対向面１２ａから離間する。つまり、第２実施形態の水素ポンプ１０Ａでは、運転時にはクリアランスδが小さくなり、停止時にはクリアランスδが大きくなる。

従って、第２実施形態の水素ポンプ１０Ａによれば、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、本実施形態ではインペラ１１の回転軸１３ｃがハウジング１２に対して軸方向に移動しないようになっていて、この例では回転軸１３ｃの上下両端部が軸受１５、１５ａにボルト１７、１７ａ止めされている。

（第３実施形態）
図５、図６は本発明の第３実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略する。図５は水素ポンプの断面図、図６はインペラの平面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｂは、第２実施形態と略同様の構成であるが、クリアランス調整手段１００Ｇが、インペラ１１の中心部とバケット部１１ａを有する外周部との間においてこれらを連結する可撓部材としての弾性体１１３で形成されている点で第２実施形態と異なっている。これにより、弾性体１１３が屈曲することでインペラ１１の外周部（バケット形成面１１ｃ）がその対向面１２ａに対して接離（近接・離反）することとなる。

以上の構成により本実施形態の水素ポンプ１０Ｂによれば、第２実施形態と同様に運転時には、インペラ１１の回転による遠心力によってインペラ１１の外周部が弾性体１１３の変形を伴ってハウジングの対向面１２ａに近接し、インペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃとハウジングの対向面１２ａとの間のクリアランスδが小さくなる。一方、運転停止時にはインペラ１１の外周部は自重により弾性体１１３の変形を伴って下方に変位し、インペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃとハウジングの対向面１２ａとの間のクリアランスδが大きくなる。

従って、第３実施形態の水素ポンプ１０Ｂによれば、第２実施形態と同様の効果が得られる。

（第４実施形態）
図７、図８は本発明の第４実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略する。図７は水素ポンプの断面図、図８はインペラの平面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｃは、第３実施形態と略同様の構成であるが、クリアランス調整手段１００Ｈとしての可撓部材が、温度上昇に伴ってインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃをハウジングの対向面１２ａに近接させる方向に変形させる感温変位部材１１４で形成されている点で第３実施形態と異なっている。本実施形態の感温変位部材１１４は第３実施形態と同様に遠心力によって撓み変形する。また、本実施形態の感温変位部材１１４は、バイメタルで構成され、低温時にはインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃをハウジングの対向面１２ａから離れる方向に変形する一方、高温時にはインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃをハウジングの対向面１２ａから近づく方向に変形するように構成されている。このバイメタル１１４の近傍には、加熱手段としてのヒータ１１５が設けられ、このヒータ１１５による加熱量を制御してバイメタル１１４の変形量を任意に調節できるようになっている。

以上の構成により本実施形態の水素ポンプ１０Ｃによれば、可撓部材としてのバイメタル１１４の可撓性によって、ポンプ運転時には遠心力によりインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃがハウジングの対向面１２ａに近接して前記クリアランスδを小さくなり、ポンプ停止状態ではインペラ１１の外周部のバケット形成面１１ｃが自重によりハウジングの対向面１２ａから離れて前記クリアランスδが大きくなる。従って、第４実施形態の水素ポンプ１０Ｃによれば、第２、３実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、ポンプ運転時には、水素ガスの温度上昇や電動モータ１３の発熱によってインペラ１１のバイメタル１１４の温度が上昇するので、バイメタル１１４の変形によってクリアランスδがさらに小さくなり、ポンプ効率がさらに向上することとなる。

また、本実施形態では、バイメタル１１４の近傍に加熱手段としてのヒータ１１５が設けられているため、バイメタル１１４の変形量を任意に調整できる。

また、本実施形態では、ヒータ１１５を備えるため、氷点下の停止時にあってもインペラ１１の回転が可能な状態では、ヒータ１１５に通電してバイメタル１１４を加熱することによりクリアランスδを小さし、この状態でポンプを起動できる。そのため、低温時の起動直後からポンプ効率を高めることができる。

なお、本実施形態ではヒータ１１５を備えるため、例えばポンプの運転開始時にヒータ１１５を起動した後、所定時間（例えばポンプ内の氷が溶けるのに十分な経過時間）が経過するのをまって、またはポンプ内が所定温度（例えばポンプ内の氷が溶けるのに十分な温度）に達するまでまって、インペラ１１を回転駆動させてもよい。このように制御すると、氷点下の停止時にインペラ１１が氷結して回転不能になっていても、確実にポンプを起動できる。

また、本実施形態では、可撓部材としてのバイメタル１１４は、遠心力によって変形するように材質や厚みなどが設定されているが、遠心力によって変形しないように構成されていてもよく、この場合は、遠心力を利用せずにバイメタル１１４の温度に相関する変形のみによってクリアランスδを調整できる。

（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図９は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｄにおけるクリアランス調整手段１００Ｂは、第１〜４実施形態のようなインペラ１１を移動または変形させるものではなく、図９に示すようにハウジングの対向面１２ａをインペラ１１のバケット形成面１１ｃに対して変位させるハウジング側移動手段１５０として構成されている。なお、第２〜４実施形態と同様にインペラ組立体１４の軸方向移動は阻止されている。

本実施形態のハウジング側移動手段１５０は、ハウジング本体に対して取り付けられた弾性体１５２として構成されている。この弾性体１５２は、ハウジングの対向面１２ａを有するとともに、ハウジング本体との間の空間に冷却液を流通させる冷却流路１５１を画成している。インペラ１１とハウジング１２との間のクリアランスδは、初期状態は大きく設定されており、そして、ポンプ運転時に冷却流路１５１に冷却液を流通させると弾性体１５２がインペラ１１のバケット部１１ａに向けて膨出変形して、クリアランスδが小さくなる。

以上のように本実施形態の水素ポンプ１０Ｄによれば、クリアランス調整手段１００Ｂがハウジング側移動手段１５０として構成されている。そのため、インペラ組立体１４をハウジング１２に対して軸方向に移動させることなくクリアランスδを変化させることができ、インペラ組立体１４は軸方向の移動機能を無くしてハウジング１２側に取り付けることができる。これによりインペラ組立体１４の取付構造を簡素化でき、ひいてはインペラ組立体１４の取り付け部分の耐久性を高めることができる。

また、本実施形態では、ハウジング側移動手段１５０は、ガイド流路１２ｂを有するハウジング対向面１２ａを形成し且つハウジング本体との間に冷却液を流通する冷却流路１５１を形成した弾性体１５２により構成されている。そのため、ポンプ運転時には冷却流路１５１を流通する冷却液の圧力で弾性体１５２が膨出して、弾性体１５２のハウジング対向面１２ａがインペラ１１のバケット形成面１１ｃ側に移動していき、これにより、クリアランスδが小さくなる。一方、停止時には、冷却液を循環させるための循環ポンプの圧力が冷却流路１５１に加わらないため、弾性体１５２は収縮状態となってハウジング本体側へ没入する方向に（つまりインペラ１１のバケット部１１ａが離間する方向に）変形し、これにより、クリアランスδが大きくなる。

従って、本実施形態の水素ポンプ１０Ｄによれば、上述の実施形態と同様に運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２との間が凍結してしまうのを効果的に抑制できる
（第６実施形態）
図１０は本発明の第６実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１０は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｅは、図１の第１実施形態と略同様にクリアランス移動手段がインペラ移動手段として構成されているが、インペラ移動手段１１０Ｄの構成が第１実施形態と異なっている。

本実施形態のインペラ移動手段１１０Ｄは、インペラ組立体１４の回転軸１３ｃの下端とカバー１２ｄとの間に設けられており、自身の伸縮によってインペラ組立体１４を軸方向に移動させてクリアランスδを調整する伸縮手段である。

本実施形態の伸縮手段は、温度に相関して伸縮する熱伸縮部材１１６であって、インペラ組立体１４の軸方向に伸縮することでインペラ組立体１４を軸方向に移動させるものである。熱伸縮部材１１６としては、例えばサーモエレメントなどによって構成することができる。このサーモエレメントの一例としては、例えばピストンを出没自在に挿入した密閉容器内にパラフィンワックスを充填して構成され、パラフィンワックスの熱伸縮によりピストンが出没するものがある。また、熱伸縮部材１１６の近傍には、加熱量を任意に調整可能な加熱手段としてのヒータ１１７が設けられている。

以上の構成により、ポンプ停止時には水素ポンプ１０Ｅ内の温度が運転時よりも低下するので、熱伸縮部材１１６が収縮してインペラ組立体１４が下方に移動してクリアランスδが大きくなる。一方、ポンプ運転によって水素ポンプ１０Ｅの温度が高まるにつれて、熱伸縮部材１１６が膨張してインペラ組立体１４が上方に移動してクリアランスδが小さくなる。従って、本実施形態の水素ポンプ１０Ｅによれば、運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、寒冷時の停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２との間の凍結を効果的に抑制できる。

また、本実施形態では熱伸縮部材１１６の近傍にヒータ１１７が設けられているので、運転中にもクリアランスδを任意に調整できる。

また、本実施形態ではヒータ１１７を備えるため、氷点下の停止時にあってもインペラ１１の回転が可能な状態では、ヒータ１１７で熱伸縮部材１１６を加熱することによりクリアランスδを小さくして、起動直後からポンプ効率を高めることができる。

（第７実施形態）
図１１、図１２は本発明の第７実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１１は第７実施形態の水素ポンプの断面図、図１２はクリアランス制御を実行するためのフローチャートの説明図である。なお、図１１以降の図において電動モータのステータは図示省略してある。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｊは、図１０の第６実施形態と略同様の構造であるが、インペラ移動手段１００Ｆとしての伸縮手段が、圧電素子１１８である点で第６実施形態と異なっている。以下、具体的に説明する。

回転軸１３ｃの下方の軸受収容室Ｒ２には、圧電素子１１８と、この圧電素子１１８の自由端としての上端に固定された土台部１２７と、が収容されている。この土台部１２７には、回転軸１３ｃの下端が軸受１５ａを介して軸支されている。この土台部１２７は、圧電素子１１８の伸縮に伴って回転軸１３ｃの軸方向に移動する。これにより、圧電素子１１８へ印加する電圧を制御すると、土台部１２７ととともに回転軸１３ｃが軸方向（上下方向）に移動してクリアランスδが変化する。

本実施形態では、圧電素子１１８への印可電圧の制御によって、ポンプ停止時には圧電素子１１８を収縮させることでインペラ組立体１４を下方に移動させて、クリアランスδが大きくし、一方、ポンプ運転時には、圧電素子１１８を伸長させることでインペラ組立体１４を上方に移動させて、クリアランスδを小さくしている。

従って、第６実施形態と同様に、運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２とが氷着してしまうのを効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、伸長手段が圧電素子１１８であるため、水素ポンプ１０Ｊの運転中に水素ポンプ内の温度に影響を受けずに制御できる。そのため、運転中に圧電素子１１８への印可電圧を圧電素子コントローラ１１９で制御することでクリアランスδを制御して、水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転を回避できる。このように水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転を回避するには、水素ポンプ１０Ｊの運転負荷が所定値（例えば適正運転負荷よりも大きい値）以上に増加した場合に、クリアランスδを大きくすればよい。なお、これはクリアランスδが小さくなると運転負荷が大きくなり、クリアランスδを大きくすると運転負荷が小さくなることにもとづく。

ここで、水素ポンプ１０Ｊの運転負荷が所定値以上に増加する場合にクリアランスδを大きくすることで水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転を回避する方法としては、例えば、水素ポンプ１０Ｊの水素ガスの吸入圧と吐出圧との差圧が所定圧以上となる場合にクリアランスδを大きくする方法、ポンプの運転電流が所定値以上に増加した場合にクリアランスδ大きくする方法などがある。

また、ポンプの運転時にポンプ内に流入する水分量を検出してこの検出した水分量が所定量以上になった場合にクリアランスδを大きくする方法や、クリアランスδを検出して構成部品の熱膨張などによりクリアランスδが小さくなる場合にクリアランスδを大きくする方法などがある。これは、ポンプ運転中には、水素ポンプ１０Ｇに水分が流入することで水素ガスの流通抵抗が大きくなるため運転電流が増加したり、構成部品の熱膨張によりクリアランスδが小さくなることで負荷が大きくなり運転電流が増加したりすることにもとづく。

本実施形態では、水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との差圧が所定圧以上になるとクリアランスδを大きくするように制御している。より具体的には、圧電素子コントローラ１１９が、水素ポンプ１０Ｊの吸入口側に設けられた第１圧力センサ１２０で検出した吸入圧と、水素ポンプ１０Ｊの吐出口側に設けられた第２圧力センサ１２１で検出した吐出圧と、の差圧が所定圧以上になった場合にクリアランスδを大きくするように圧電素子１１８への印可電圧を制御している。このように運転中に水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との圧力差（揚程圧力）が増加した際にクリアランスδを大きくすると、揚程圧力の上昇が抑えられ、水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転が回避さえる
なお水素ポンプ１０Ｊに発生する吸入圧と吐出圧の圧力差（揚程圧力）は、例えば水素ポンプ１０Ｊの運転時に生ずる構成部品の熱膨張によるクリアランスδの縮小により増加するし、また、その他の原因により増加するものである。

図１２はポンプ運転中における制御の一例を示す。まず、圧電素子コントローラ１１９は、ステップＳ１で第１圧力センサ１２０と第２圧力センサ１２１の圧力差をモニタし、ステップＳ２でその圧力差が規定上限値以上であると判断した場合は、ステップＳ３で圧電素子１１８にインペラ組立体１４を下降させる信号を出力してクリアランスδを大きくする。また、ステップＳ４で前記圧力差が規定下限値以下であると判断した場合は、ステップＳ５で圧電素子１１８にインペラ組立体１４を上昇させる信号を出力してクリアランスδを小さく。そして、前記制御を繰り返しつつクリアランスδの制御を実行するとともに、ステップＳ６で燃料電池システム１の運転終了を検知することにより制御を終了する。

このように運転中に水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との圧力差（揚程圧力）が増加した際にクリアランスδを大きくすると、揚程圧力の上昇を抑えることができ、水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転を回避できる。また逆に水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との圧力差（揚程圧力）が低下した際にはクリアランスδを小さくすると、揚程圧力の低下を抑えて、ポンプ効率を高く維持できる。従って、運転中のポンプ効率を高く維持しつつも過負荷運転にならないような適正範囲に出力（圧力差）を維持できる。

以上のように、本実施形態によれば、クリアランス調整手段としての伸縮手段１１８を備えるため、上述の第６実施形態と同様の作用効果が得られる。

また本実施形態によれば、伸縮手段１１８が圧電素子であるため、水素ポンプ１０Ｊの温度に影響されずにクリアランスδを微調整できる。これにより、運転時には、クリアランスδを微調整して運転負荷などの運転状態を適正に保つことができる。また、出荷時のクリアランス調整も容易になり、製造コストを低減できる利点もある。

また本実施形態によれば、運転中に水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との圧力差（揚程圧力）の過渡的な上昇を抑えることで、水素ポンプ１０Ｊの過負荷運転を回避できる。また逆に水素ポンプ１０Ｊの吸入圧と吐出圧との圧力差（揚程圧力）の過渡的な低下を抑えることで、ポンプ効率を高く維持できる。

なお、本実施形態では水素ポンプの運転状況に応じてクリアランスδを制御しているが、本発明は燃料電池システム１の運転状況に応じて制御されるものであってもよい。

（第８実施形態）
図１３は本発明の第８実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとし、図１３は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｋは、図１１〜１２の第７実施形態と略同様の構造であるが、インペラ移動手段１１０Ｆの構成が第７実施形態と異なる。本実施形態のインペラ移動手段１１０Ｆは、回転角度制御が可能なステッピングモータ１２２と、このステッピングモータ１２２の回転量をインペラ組立体１４の軸方向移動に変換するねじ部１２３と、によって構成されている。ステッピングモータ１２２は、ステッピングモータロータ１２２ａとステッピングモータコイル１２２ｂとを備えて構成され、回転軸１３ｃの下端部がねじ部１２３を介してステッピングモータロータ１２２ａの回転中心部に支持されている。そして、燃料電池システム１の運転状況に応じてつまり第１・第２圧力センサ１２０、１２１の検出圧力に基づいて、ステッピングモータドライバ１２４からステッピングモータ１２２への制御電流を制御することで、ステッピングモータロータ１２２ａの回転量を調整し、回転軸１３ｃの軸方向移動量を調整して、クリアランスδを調整している。

従って、本実施形態の水素ポンプ１０Ｋによれば、クリアランスδの変化を第１・第２圧力センサ１２０、１２１の圧力差をモニタして、第７実施形態の図１２に示したフローチャートと同様の制御ができ、第７実施形態と略同様の作用効果が得られる。

（第９実施形態）
図１４は本発明の第９実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１４は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｌは、クリアランス調整手段が、ハウジング側移動手段１５０Ａである点で図９の第５実施形態と同様であるが、その構成が異なる。本実施形態のハウジング側移動手段１５０Ａは、ハウジング本体に組み付けられたブロック体１５３として構成され、このブロック体１５３は当該ハウジング本体よりも熱膨張の大きな材料で形成されている。ブロック体１５３の自由端（つまり固定端とは逆側の端で、熱膨張により移動する端）は、インペラ１１のバケット形成面１１ｃと対向する対向面１２ａとなっている。

以上の構成により本実施形態の水素ポンプ１０Ｌによれば、ハウジング側移動手段１５０Ａを設けたことにより、低温時にはブロック体１５３が収縮してクリアランスδを大きくなり、高温時にはブロック体１５３が膨張してクリアランスδが小さくなる。従って、電動モータ１３の発熱等により高温となる運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、低温環境下での停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２とが氷着してしまうのを効果的に抑制できる。

なお、ハウジング本体は通常金属で形成されるため、この金属製のハウジング本体よりも熱膨張率が大きい合成樹脂などによってブロック体１５３を形成することができる。ブロック体１５３が樹脂製である場合は例えば撥水性に優れたフッ素樹脂で形成するのが好ましい。

（第１０実施形態）
図１５は本発明の第１０実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１５は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｆは、クリアランス調整手段がインペラ移動手段である点で、第１および第６〜８実施形態と同様であれるが、そのインペラ移動手段の構成が異なっている。本実施形態のインペラ移動手段１００Ｃは、内部に導入される流体の量または圧が調整されることで、インペラ１１の軸方向端部に作用してインペラ１１を軸方向に移動させる圧力室２２である。

以下、より具体的に説明する。ハウジング１２内にインペラ組立体１４が軸方向（上下方向）へ移動可能に収納されている。回転軸１３ｃの上端は、ハウジング１２に軸受１５を介して回転自在に軸支されており、この回転軸１３ｃの上端とハウジング１２との間に予圧ばね１１１が縮設されてインペラ組立体１４が下方に付勢されている。一方、回転軸１３ｃの下端は、ポンプ室３４と連通する軸受収容室Ｒ２に摺動自在に嵌合するピストン２１に、軸受１５ａを介して回転自在に軸支されている。軸受収容室Ｒ２のピストン２１の下方には、ピストン２１により画成されたインペラ移動手段１００Ｃとしての圧力室２２が形成されており、この圧力室２２の圧力変動に応じてピストン２１が移動して、インペラ１１が軸方向に移動する。

このような構成により、圧力室２２と、インペラ１１のバケット部１１ａで発生した水素ガス圧（ガイド流路１２ｂ内の水素ガス圧）と、の圧力差に応じてピストン２１の位置が決定される。より具体的には、ピストン２１に作用する圧力差がインペラ組立体１４の自重と予圧ばね１１１の下向きの合成力よりも大きくなると、インペラ組立体１４が上方に移動して、クリアランスδが小さくなる。

本実施形態においては、圧力室２２に、水素タンク４から燃料電池２に至る水素供給流路７ａの減圧弁５と圧力調整弁６との間から分岐する圧力導入流路２０が連通接続されており、圧力室２２には減圧弁５と圧力調整弁６との間の水素ガスの圧力が常時導入されている。この減圧弁５と圧力調整弁６との間の水素ガス圧力は、下記表１に示すように燃料電池システム１の運転に連動しており、システム１が停止しているときは大気圧となる。そのため、運転停止時には、差圧が無くなり、予圧ばね１１１とインペラ組立体１４の自重によりインペラ１１が下降して、クリアランスδが大きくなる。一方、運転時には、差圧が大きくなり、予圧ばね１１１とインペラ組立体１４の自重に抗してインペラ１１が上昇して、クリアランスδが小さくなる。

従って、本実施形態によれば、運転時には小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、停止時には大きなクリアランスδでインペラ１１とハウジング１２とが凍結してしまうのを効果的に抑制できる。

以下、本実施形態の効果を列挙する。

本実施形態によれば、クリアランス調整手段１００Ｃが、内部に流通または導入される流体の量または圧によって、インペラ組立体１４の軸方向端部（この例では回転軸１３ｃの下端部）に作用してインペラ組立体１４を軸方向に移動させる圧力室２２として構成されているため、圧力室２２の圧力を調整することで、クリアランスδを調整することができる。

また本実施形形態によれば、圧力室２２に導入される流体は、水素供給流路７ａの減圧弁５と圧力調整弁６との間から導入される水素ガスである。この減圧弁５と圧力調整弁６との間の水素ガス圧は、運転時においてガイド流路１２ｂとインペラ１１のバケット部１１ａとの間に発生する水素ガス圧に比べて大きな圧力であるため、運転時に確実にクリアランスδを小さくすることができる。

また、本実施形態では、燃料電池システム１の運転および水素ポンプ１０Ｆの運転に連動してクリアランスδを変化させることができ、付加的な駆動機構が不要となる。

（第１１実施形態）
図１６は本発明の第１１実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１６は第１１実施形態の水素ポンプの断面図である。

この実施形態では、圧力室２２への水素ガスの導入構造が第１０実施形態と異なっており、その他の構造は第１０実施形態と略同様である。この第１１実施形態の水素ポンプ１０Ｇにあっては、水素供給流路７ａの減圧弁５と圧力調整弁６との間から分岐する圧力導入流路２０が、圧力室２２に接続されており、この圧力導入流路２０に、当該圧力導入流路２０を開閉する水素供給弁２３が設けられている。この圧力導入流路２０の水素供給弁２３よりも下流側には、水素ポンプ１０Ｇの吐出圧を導入すべく、水素循環流路８の水素ポンプ１０Ｇより下流側から分岐されたバイパス流路２４が接続されており、当該バイパス流路２４にはそれを開閉制御するバイパス弁２５が設けられている。

このような構造により、上述の第１０実施形態では燃料電池システム１の運転時に常に一定だった圧力室２２の水素ガス圧力を、この第１１実施形態では水素供給弁２３およびバイパス弁２５の開閉制御により変化させることができる。例えば、圧力室２２内の圧力は、バイパス弁２５を閉じて且つ水素供給弁２３を開けると、減圧弁５の下流の圧力（減圧弁５と圧力調整弁６との間の圧力）となる。一方、圧力室２２内の圧力は、バイパス弁２５を開けて且つ水素供給弁２３を閉じると、水素ポンプ１０Ｇの吐出圧力（＜減圧弁５の下流の圧力）となる。

表２は、水素供給弁２３およびバイパス弁２５を開閉制御の一例である。

表２のように、運転中にバイパス弁２５を開けて且つ水素供給弁２３を閉じると、圧力室２２は水素ポンプ１０Ｇの吐出圧力となるため、圧力室２２内の圧力とガイド流路１２ｂの圧力との差圧が小さくなり、インペラ組立体１４は予圧ばね１１１と自重とによって下方に移動し、クリアランスδは大きくなる。一方、運転中にバイパス弁２５を閉じて且つ水素供給弁２３を開けると、圧力室２２は減圧弁５の下流の圧力となるため、圧力室２２内の圧力とガイド流路１２ｂの圧力との差圧が大きくなり、予圧ばね１１１とインペラ組立体１４の自重に抗してインペラ組立体１４が上方に移動して、クリアランスδが小さくなる。なお、燃料電池システム１の運転停止時には、システム内は大気圧で平衡するため、差圧が生じずに、クリアランスδが大きくなる。

このように運転中においても弁２５、２３の開閉制御によりクリアランスδを自由に制御できる。そのため、本実施形態では、図１５の第１０実施形態の効果に加え、運転中にポンプの運転負荷が所定値（例えば通常運転の負荷より大きい過度な値）以上になった場合にクリアランスδを大きくして、適正な運転状態に維持できる利点がある。

なお、本実施形態では、運転電流（電動モータ１３の運転電流）を検出して、運転電流の検出値が所定値よりも上昇した（例えば通常運転時の運転電流の適正範囲を超えた）ことを検知した場合に、バイパス弁２５を開けるとともに水素供給弁２３を閉じることにより、クリアランスδを大きくしているが、本発明においてはその他の運転状態（第６実施形態に列挙したように圧力差、水分量、クリアランスδなど）を検出して制御してもよい。

（第１２実施形態）
図１７は本発明の第１２実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１７は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｈは、図１６の第１１実施形態と略同様の構成であるが、圧力室２２に連通接続される圧力導入流路２０が、減圧弁５よりも上流側の水素供給流路７ａから分岐されている点で、第１１実施形態と異なっている。

以上の構成により本実施形態の水素ポンプ１０Ｈによれば、第１１実施形態と略同様の作用効果が得られるが、特に本実施形態では圧力室２２に導入される圧力は減圧弁５よりも上流側の最も高圧となる供給用水素ガスであるため、下記表３に示すように水素供給弁２３とバイパス弁２５と開閉制御することにより、燃料電池システム１を停止した状態にあってもクリアランスδを変化させることができる。

（第１３実施形態）
図１８は本発明の第１３実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図１８は水素ポンプの断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｉは、第１０〜１２実施形態と略同様の構成であるが、インペラ組立体１４の軸方向両端側にそれぞれ圧力室２２、２８が設けられている点で、インペラ組立体１４の軸方向一端側にのみ圧力室２２を備える第１０〜１２実施形態と異なっている。より具体的には、インペラ１１の回転軸１３ｃの上端は、ロータ室３２に連通する軸受収容室Ｒ１に摺動自在に嵌合するピストン２７に、軸受１５を介して回転自在に支持されている。一方、回転軸１３ｃの下端は、ポンプ室３４に連通する軸受収容室Ｒ２に摺動自在に嵌合されたピストン２１に、軸受１５ａを介して回転自在に軸支されている。上方の軸受収容室Ｒ１のうちピストン２７より上方には、ピストン２７により画成された圧力室２８が形成されており、一方、軸受収容室Ｒ２のうちピストン２１より下方には、ピストン２１により画成された圧力室２２が形成されている。これら上下の圧力室２２、２８の圧力変動に応じてピストン２１、２７が回転軸１３ｃの軸方向に沿って移動することで、インペラ１１が軸方向に移動するようになっている。なお、回転軸１３ｃの下端とピストン２１との間に予圧ばね１１１が縮設されてインペラ組立体１４が上方に付勢されている。

本実施形態では、下方の圧力室２２に、水素循環流路８の水素ポンプ１０Ｉよりも上流側の圧力つまり水素ポンプ１０Ｉの吸入圧が吸入圧導入流路３０を介して導入され、一方、上方の圧力室２８に、水素循環流路８の水素ポンプ１０Ｉよりも下流側の圧力つまり水素ポンプ１０Ｉの吐出圧が吐出圧導入流路３１を介して導入されている。

このようにインペラ組立体１４の下端部の圧力室２２に吸入圧が導入されるとともに、インペラ組立体１４の上端部の圧力室２８に吐出圧が導入されることにより、水素ポンプ１０Ｉが発生させる揚程圧力差がインペラ組立体１４に印加されることとなる。そのため、吸入圧と吐出圧との圧力差が過渡的に大きくなる際、つまり水素ポンプ１０Ｉの運転負荷が過度的に増加する際には、クリアランスδが大きくなり、水素ポンプ１０Ｉの運転負荷が低減する。

以下、本実施形態の効果を列挙する。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｉでは、クリアランス調整手段１００Ｅが、内部の圧力上昇に伴ってインペラ組立体１４をクリアランスδを減少する側へ移動させる第１の圧力室２２と、内部の圧力上昇に伴ってインペラ組立体１４のクリアランスδを増大する側へ移動させる第２の圧力室２８と、を備えてなり、第１の圧力室２２に水素ポンプ１０Ｉの吸入圧が常時導入され、第２の圧力室２８に水素ポンプ１０Ｉの吐出圧が常時導入されるものである。言い換えると、クリアランス調整手段１００Ｅはインペラ組立体１４のクリアランスδを減少する側の軸方向一端部となる下端部に導入する水素ポンプ１０Ｉの吸入圧と、インペラ組立体１４のクリアランスδを増大する側の軸方向他端部となる上端部に導入する水素ポンプ１０Ｉの吐出圧と、からなっている。

つまり、本実施実施形態のクリアランス調整手段１００Ｅは、吸入圧と吐出圧との圧力差（＝２つの圧力室２２、２８の圧力差）が大きくなる場合に、つまり、水素ポンプ１０Ｉの運転負荷が過度的に増加する場合に、クリアランスδを大きくするものである。

そのため、例えば水素ポンプ１０Ｉ内に流れ込む水素が含有する水分量が多くなることなどによって吸入圧と吐出圧との圧力差が過渡的に大きくなる場合や、運転時の発熱に伴う熱膨張によりクリアランスδが小さくなることで吸入圧と吐出圧との圧力差が過渡的に大きくなる場合に、クリアランスδが大きくなるため、運転負荷の過剰な増大を回避できる。

また本実施形態の水素ポンプ１０Ｉでは、第１１、１２実施形態のような開閉弁を制御することなく、クリアランスδを変化させることができる利点もある。

（第１４実施形態）
図１９〜図２２は本発明の第１４実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略する。図１９は本実施形態の水素ポンプの断面図、図２０（ａ）は同水素ポンプのインペラ組立体が上方移動した状態を示す図、図２０（ｂ）はインペラ組立体が下方移動した状態を示す図、図２１はインペラ組立体を下方移動した状態にあるシール構造体の拡大断面図、図２２はインペラ組立体を上方移動した状態にあるシール構造体の拡大断面図である。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｍは、図１５の第１０実施形態と略同様の構造であるが、図１９に示すように減圧弁５と圧力調整弁６との間から３つの水素導入流路３３、３６、３７が分岐しており、第１水素導入流路３３はロータ１３ｂを収納したロータ室３２に連通接続され、第２水素導入流路３６はポンプ室３４に連通し且つピストン２１を摺動自在に嵌合する軸受収容室Ｒ２に連通接続され、第３水素導入流路３７は圧力室２２に連通接続されている点で第１０実施形態と異なっている。なお、これら第１、第２、第３水素導入流路３３、３６、３７にはそれぞれ第１、第２、第３開閉弁３８、３９、４０が設けられる。

このような構成により、第３開閉弁４０を開閉すると、インペラ組立体１４が軸方向に移動して、クリアランスδが変化する。例えば、第３開閉弁４０をポンプ停止状態で閉じ且つポンプ運転時に開くように制御すれば、第１０実施形態と同様に、ポンプ運転時に小さなクリアランスδでポンプ効率を向上できるとともに、ポンプ停止時に大きなクリアランスδでインペラ１１の氷着を効果的に抑制できる。

また必要に応じて第１開閉弁３８および第２開閉弁３９を開くことで、ポンプ室３４と連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの両端側を収容する室３２、Ｒ２にドライガスを供給して、これら室３２、Ｒ２の内部の水分をポンプ室３４およびまたはガイド流路１２ｂへ排出することができる。これにより、軸受１５、１５ａ内に水分が留まって、軸受１５、１５ａが氷着してしまうことを抑制できる。なお、本実施形態の開閉弁３８、３９、４０の具体的な制御の一例は、後に詳説する。

また本実施形態では、ロータ室３２とポンプ室３４との間、およびポンプ室３４と軸受収容室Ｒ２との間に、それぞれを隔離するシール構造体としての第１・第２シール板４１、４２が設けられている。第１シール板４１は、インペラ１１の上側においてインペラ１１の回転軸１３ｃに固定され、且つシール部分の形状つまりポンプ室３４とロータ室３２とを連通する開口端３２ａの形状に沿った円板状の板状弾性体で形成されている。一方、第２シール板４２は、インペラ１１の下側においてインペラ１１の回転軸１３ｃに固定され、且つシール部分の形状つまりポンプ室３４と軸受収容室Ｒ２とを連通する開口端部５５ａの形状に沿った円板状の板状弾性体で形成されている。なお、ロータ室３２の開口端３２ａには、内周側に向けて突出する環状段部５７が形成されており、これによりロータ室３２の開口端３２ａはロータ室３２の一般部分の内周径よりも小径に形成されている。

第１シール板４１は、ロータ室３２の開口端３２ａを開放する際には、図２０（ａ）に示すようにロータ室３２内においてロータ室３２の開口端３２ａによりも上側に位置し、ロータ室３２の開口端３２ａを閉塞する際には、図２０（ｂ）に示すようにロータ室３２の開口端３２ａを形成する環状段部５７の上面に当接してシールする。一方、第２シール板４２は、軸受収容室Ｒ２の開口端部５５ａを開放する際には、図２０（ａ）に示すようにポンプ室３４内において軸受収容室Ｒ２の開口端５５ａにより上側に位置し、軸受収容室Ｒ２の開口端部５５ａを閉塞する際には、図２０（ｂ）に示すように開口端部５５ａの周縁部上面に当接してシールする。

ここで、図２０（ｂ）および図２１では、説明上、第１シール板４１とハウジング１２のシール面（開口端部５７ａの周縁部上面つまり環状段部５７の上面）との接触角θ１および第２シール板４２とハウジング１２のシール面（開口端部５５ａの周縁部上面）との接触角θ２を大きくデフォルメして図示しているが、実際には、これら接触角θ１、θ２が極力小さくなるように、第１シール板４１は開口端部５７ａの周縁部上面に略水平に接触するように設定され、第２シール板４２は開口端部５５ａの周縁部上面に略水平に接触するように設定されている。このようにシール時にシール板４１、４２とハウジング１２側のシール面との間に生じる鋭角θ１、θ２の隙間が小さいと、この隙間に溜まる水滴を最小限に抑えることができるため、シール板４１、４２のハウジング１２に対する氷着力を小さくでき、シール板４１、４２がハウジング１２のシール面に氷着した場合であっても容易に剥がすことができる。

一方、第１・第２シール板４１、４２がハウジング１２のシール面から離間するポンプの運転状態においては、図２２に示すようにそれらシール板４１、４２が最大に変形した場合にも、そのシール面との非接触状態が維持されるようになっている。つまり、シール板４１、４２の外径、弾性変形係数や、ポンプの運転時におけるシール板４１、４２の軸方向位置などが予め設定されている。

次に、本実施形態の制御の一例をより具体的に説明する。

まずポンプの運転開始時（始動時）には、第３開閉弁４０を開いて第３水素導入流路３７を通じて高圧水素ガスを圧力室２２に導入する。これにより、インペラ１１が上方へ移動してクリアランスδを小さくなり、ポンプ効率が高い状態に維持される。

次に、第３開閉弁４０を開いた直後に第１開閉弁３８および第２開閉弁３９を第３開閉弁４０よりも小さい開度で開いて、少量の高圧水素ガスをロータ室３２および軸受収容室Ｒ２に導入する。これにより、これらロータ室３２および軸受収容室Ｒ２に水分が侵入してくることが防止される。なお、ポンプ運転中は、開閉弁３８、３９、４０の開度をそのまま保つ。

ポンプ運転停止時には、まず第１開閉弁３８および第２開閉弁３９を閉じ、その直後に第３開閉弁４０を閉じて、圧力室２２への高圧水素ガスの導入を停止する。すると、予圧バネ１１１によりインペラ１１がもとの下方へ移動してクリアランスδが大きくなり、氷点下において長時間がポンプ停止されていたとしても、インペラ１１とハウジング１２との間の凍結が防止される。このとき同時に、シール板４１、４２もインペラ１１とともに下方に移動するため、シール板４１、４２がロータ室３２の開口端部５７ａおよび軸受収容室Ｒ２の開口端部５５ａを閉塞し、これらの室３２、Ｒ２がポンプ室３４から隔離される。そのため、停止時において、ポンプ室３４からロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２に水蒸気などの水分が侵入してくることが防止され、軸受機構などの凍結によるロックが確実に防止される。

次に、本実施形態の効果を列挙する。

本実施形態では、クリアランス調整手段は、内部に導入される流体の量または圧が調整されることで、インペラ１１の軸方向端部に作用してインペラ１１を軸方向に移動させる圧力室２２である。そのため、圧力室２２の圧力を調整することで、クリアランスδを調整でき、その他の付加的な駆動機構が不要となる。

また本実施形態では、インペラ１１を収容するポンプ室３４と、ポンプ室３４と連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの少なくとも一端側（この例では上端側）に固定された電動モータのロータ１３ｂを収容するロータ室３２と、を、ポンプ停止時に隔離するシール構造体４１を備える。また、インペラ１１を収容したポンプ室３４と、ポンプ室３４と連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの少なくとも一端側（この例では下端側）を軸支する軸受１５ａを収容する軸受収容室Ｒ２と、をポンプ停止時に隔離するシール構造体４２を備える。そのため、ポンプ室３４と、このポンプ室３４に連通するロータ室３２および軸受収容室Ｒ２と、を隔離でき、水分がポンプ室３４からロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２へ侵入していくことを防止できる。このようにロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２への水分侵入を防止しることにより、軸受１５、１５ａならびにロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２の内部に存在するあらゆる小さな隙間への水分侵入を防いで、インペラ１１の凍結ロックを回避できる。また、電動モータ１３のコイルへの水分浸透を防止できる。

また本実施形態では、シール構造体４１、４２がシール部分（つまりポンプ室と連通する軸受収容室の開口端、ポンプ室と連通するロータ室の開口端）を覆うようにこのシール部分の形状に沿った円板状の板状弾性体で構成されている。そのため、シール板４１、４２を変形させつつ組み付けることができるので、組付性を向上しつつハウジング１２の構造を簡素化できる。

また本実施形態では、シール板４１、４２がゴム製である。そのため、通常金属製のハウジング１２に対して凍結固着力を低下させることができる。

また本実施形態では、シール板４１、４２は、ハウジング１２のシール面（つまり開口端部５７ａの周縁部上面、および開口端部５５ａの周縁部上面）に接触するポンプの運転停止時において、当該シール面と略水平に接触する。そのため、シール板４１、４２とハウジング１２のシール面と、の間に生じる鋭角θ１、θ２の隙間に溜まる水分量が少なくなり、シール板４１、４２とハウジング１２のシール面との凍結固着力が弱くなる。

また本実施形態では、第１・第２シール板４１、４２は、ハウジング１２のシール面から離脱する水素ポンプ１０Ｍの運転状態で、当該シール板４１、４２が最大に変形した場合にもハウジング１２のシール面との非接触状態が維持されている。そのため、ポンプ運転状態では、確実にシール板４１、４２がハウジング１２のシール面から離間するため、シール板４１、４２がハウジング１２のシール面と氷着した状態から運転開始された場合に、起動トルク不足により水素ポンプ１０Ｍがフェールするのを回避できる。

また本実施形態では、インペラ１１を収容するポンプ室３４に連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの両端側を収容する室３２、Ｒ２に接続される水素導入流路３３、３６を備えるため、必要に応じてまたは常に上述の室３２、Ｒ２の内部の水分をポンプ室３４に吐き出すことができる。これにより、さらにロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２内のあるゆる凍結の可能性のある小さな隙間の凍結をさらに確実に防止でき、インペラ１１のロックをさらに確実に防止できる。

なお、本実施形態では水素導入流路３３、３６は減圧弁５と圧力調整弁６との間から分岐しているが、本発明にあっては、これら水素導入流路３３、３６が、水素供給流路７ａのうち水素循環流路８との合流点よりも水素タンク４側のドライガス流通領域から分岐するいわゆるドライガス供給流路であればよい。

また、水素導入流路３３、３６の開閉弁３８、３９の開閉タイミングは、本実施形態に限定されるものではなく、例えばポンプ停止時にのみに開くことで、室３２、Ｒ２およびポンプ室３４の水分をガイド流路１２ｂを通じて排出してもよい。

また、本実施形態において、予圧バネ１１１を圧電素子等の変位制御手段に代えると、運転開始時には軸方向に強制的に移動させることでシール板４１、４２の氷着を確実に剥離できる。また、運転中においてはクリアランスδを微調整できるため、ポンプ効率を高く維持したり、過負荷状態を回避したりして、適正な運転状態に維持できる利点がある。

（第１５実施形態）
図２３〜２５は本発明の第１５実施形態を示し、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとする。図２３は水素ポンプの断面図、図２４はインペラの平面図、図２５はポンプ内の流路圧力分布を示すグラフである。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｎは、図１９〜２２の第１４実施形態と略同様の構成であるが、シール板４１、４２を備えず、インペラ１１のバケット部１１ａが形成されるバケット形成面１１ｃと、これに対向するハウジングの対向面１２ａとの間において、バケット部１１ａを径方向から挟みこむ内・外シールリング４３、４４を備える点で第１４実施形態と異なっている。なお、この内・外シールリング４３、４４は、幅狭に形成されることでハウジング対向面１２ａに対する接触面積が小さく設定されたリング状のゴムで構成されており、インペラ１１の上面１１ｃに固定されている。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｎでは、インペラ１１の上下移動させる挙動が第１０実施形態では逆であり、運転時にインペラ１１を下方に移動させ、停止時にインペラ１１を上方に移動させるものである。つまり、運転停止時にクリアランスδを小さくし、運転時にクリアランスδを大きくするものである。

このように第１０実施形態と逆の挙動とするために、本実施形態では、第１０実施形態とは逆に、内部の圧力上昇に伴ってクリアランスδが増大する側にインペラ１１を移動させる圧力室４６を備えている。つまり、本実施形態では、圧力室４６がインペラ１１の回転軸１３ｃの上端側に設けられており、圧力室２２がインペラ１１の回転軸１３ｃの下端側に設けられた第１０実施形態とは逆になっている。

より具体的には、インペラ１１の回転軸１３ｃの上端部が、圧力室４６を画成するピストン４７に軸支され、圧力室４６に水素供給流路７ａの圧力調整弁６よりも上流側から分岐した第３水素導入流路３７が、開閉弁４０を介して連通接続されている。また、回転軸１３ｃの下方に設けられる収納室Ｒ２に、圧電素子４９とこの圧電素子４９上に固定されたピストン４７とが収容され、このピストン４７にインペラ１１の回転軸１３ｃの下端部が軸支されている。

次に本実施形態の水素ポンプ１０Ｎの制御の一例を説明する。

水素ポンプ１０Ｎの運転開始時に、開閉弁４０を開く。これによりインペラ１１を大きなスラスト力が加わり、氷点下の長時間停止後の運転開始時においてシールリング４３、４４とハウジング対向面１２ａとが氷着している場合であっても、氷着を確実に破壊して運転を開始できる。

なお、運転中は、開閉弁４０を開いたままで維持し、また、開閉弁３８、３９も開いたままで維持する。これにより、ロータ室３２および軸受収容室Ｒ２へ供給されるドライな水素ガスがポンプ室３４を通じてガイド流路１２ｂへ流れていくこととなるため、水分が、ポンプ室３４からこのポンプ室３４に連通するロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２へ侵入してくることが防止される。

また、運転中には、圧電素子４９への電圧を制御して、最適なポンプ圧となるようにクリアランスδを調整する。なお、ポンプ運転時におけるクリアランスδは、ポンプ性能の維持できる程度に設定される。

水素ポンプ１０Ｎの停止時には、開閉弁３８、３９および４０を閉じる。これにより、圧力室４６内の圧力が下がりインペラ１１が上方に戻ってクリアランスδが小さくなり、シールリング４３、４４がハウジング対向面１２ａに密着することで、ハウジング対向面１２ａから露出するガイド流路１２ｂが、ポンプ室３４から完全に隔離される。そのため、ガイド流路１２ｂに残留する水分が、ポンプ室３４を通じてロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２へ流れこむことが防止され、これら室３２、Ｒ１、Ｒ２の内部に存在するあるあらゆる小さな隙間への水分侵入が防止されて、インペラ１１の凍結ロックが回避される。また、電動モータ１３のコイルへの水分浸透が防止される。

以下、本実施形態の水素ポンプ１０Ｎの効果を列挙する。

本実施形態の水素ポンプ１０Ｎによれば、インペラ１１のバケット部が形成されるバケット形成面１１ｃと、これに対向するハウジングの対向面１２ａと、の間に、バケット部１１ａの内周部と外周部とを挟むようにして内・外シールリング４３、４４を備える。

そのため、水素ポンプ１０Ｎの停止時にクリアランスδを小さくすることで、ハウジング対向面１２ａから露出するガイド流路１２ｂを、ポンプ室３４から完全に隔離できる。そのため、ガイド流路１２ｂに残留する水分が、ポンプ室３４に流れ出て凍結の原因になることを防止できる。これにより、ポンプ室３４およびポンプ室３４に連通しているロータ室３２および軸受収容室Ｒ１、Ｒ２の内部に存在する凍結の可能があるあらゆる小さな隙間への、水分侵入を防いで凍結ロックを回避できる。また、電動モータ１３のコイルへの水分浸透を防止できる。

また、水素ポンプ１０Ｎの運転開始時にクリアランスδを大きくすることで、氷点下の停止後にシールリング４３、４４とハウジング対向面１２ａとが氷着している場合であっても、この氷着を破壊して運転を開始することができる。

また本実施形態の水素ポンプ１０Ｎによれば、シールリング４３、４４を幅狭したため、シールリング４３、４４とハウジング対向面１２ａとの接触面積が小さくなり、凍結による固着力を極力小さく抑えることができる効果もある。

また本実施形態では、インペラ組立体１４のクリアランスδを増大する側の軸方向他端部に、水素供給流路７ａの圧力調整弁６よりも上流側の圧力を開閉弁４０を介して導入する構造である。そのため、水素ポンプ１０Ｎの運転開始時には、開閉弁４０を開いてインペラ１１に強制的に大きなスラスト力に加えることで、シールリング４３、４４とハウジング対向面１２ａとが氷着している場合であっても、インペラ１１を確実に下方に移動させて、氷着を確実に破壊（剥離）して運転を開始することができる。

また本実施形態の水素ポンプ１０Ｎは、圧電素子４９でクリアランスδを微調整できるため、ポンプ性能を高い状態に維持できる。

ここで、水素導入流路３３、３６の接続位置が、インペラ１１を収容するポンプ室３４に連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの両端側を収容する室３２、Ｒ２の奥側（つまり軸受１５、１５ａの近傍）に設定されていると、室３２、Ｒ２内の水分を全体的にパージできるとともに軸受１５、１５ａ内の水分もパージしやすいため、好ましい。

なお、本実施形態では、圧力室４６に圧力調整弁６よりも上流側の水素ガスを第３水素導入流路３７を介して導入する構造であるが、本発明にあっては、勿論、圧力室４６に圧力調整弁６の下流側の水素ガスを導入してもよく、この場合には、導入される水素ガスは水素ポンプの吐出圧と略同等であるため、図２５に示すようにポンプ室の内圧「＝（ポンプ吸入圧＋ポンプ吐出圧）÷２」よりも大きいため、インペラ組立体１４の移動は可能であり、本実施形態と同様に氷着を破壊して運転を開始することができる。

また、本実施形態では、インペラ１１を収容するポンプ室３４に連通するとともにインペラ１１の回転軸１３ｃの両端側を収容する室３２、Ｒ２に接続される水素導入流路３３、３６は、第１４実施形態と同様に減圧弁５と圧力調整弁６との間から分岐しているが、本発明にあっては、これら水素導入流路３３、３６が、水素供給流路７ａのうち水素循環流路８との合流点よりも水素タンク４側のドライガス流通領域から分岐するいわゆるドライガス供給流路であればよい。

また、これら水素導入流路３３、３６の開閉弁３８、３９の開閉タイミングは、本実施形態に限定されるものではなく、例えばポンプ停止時にのみに開くことで、室３２、Ｒ２およびポンプ室３４の水分をガイド流路１２ｂを通じて排出してもよい。

また、本実施形態では、内シールリング４３および外シールリング４４はいずれもインペラ１１に固定されているが、本発明では、内シールリングおよび外シールリングがハウジングに固定されていてもよいし、内シールリングおよび外シールリングの一方がインペラに固定され且つ他方がハウジングに固定されていてもよい。

（変形例）
図２６、図２７は上述の第１〜１５実施形態に追加し得る変形例を示すものであって、上述の実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略する。図２６は水素ポンプの断面図、図２７はインペラの平面図であり、図２６および図２７においてはクリアランス調整手段を省略して図示している。

この変形例の水素ポンプ１０Ｐでは、インペラ１１のバケット部１１ａ側の上面１１ｃおよびバケット部１１ａとは反対側の下面１１ｄに、放射状にブレード５０、５１が設けられている。ブレード５０、５１は、回転軸１３ｃの周囲に放射状に配置され、第１ブレード５０が、インペラ１１の上面１１ｃに固定され且つロータ室３２の下方に位置するとともに、第２ブレード５１が、インペラ１１の下面１１ｄに固定され且つ軸受収容室Ｒ２の上方に位置する。

以上のように、この変形例は、インペラ１１を回転自在に収容するポンプ室３４と、ポンプ室３４に通じる開口端を有してインペラ１１の回転軸１３ｃの一端側（上端側）を収容する室（ロータ室３２）と、ポンプ室３４に通じる開口端を有してインペラ１１の回転軸１３ｃの他端側（下端側）を収容する室（軸受収容室Ｒ２）と、を備え、両開口端に近傍にインペラ１１に放射状に固定されたブレード５０、５１を備えるものである。

そのため、インペラ１１とともにブレード５０、５１が高速回転することにより、ポンプ室３４内の水分が遠心力で外周方向に吹き飛ばされ、第１ブレード５０によりロータ室３２に水分が侵入することが防止され、第２ブレード５１により軸受収容室Ｒ２に水分が侵入することが防止される。

なお、ブレード５０、５１は、インペラ１１の上面１１ｃまたは下面１１ｄのいずれか一方に設けても、それに応じた効果を奏することができる。

以上、第１〜１５実施形態を例に本発明にかかる水素ポンプを説明したが、本発明にかかる水素ポンプは、上述の実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲でさまざまな形態を採用することができる。

本発明の第１実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプが組み付けられた燃料電池システムの概略構成図。 本発明の第２実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプのインペラの平面図。 本発明の第３実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプのインペラの平面図。 本発明の第４実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプのインペラの平面図。 本発明の第５実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第６実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第７実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプのクリアランス制御を実行するためのフローチャートの説明図。 本発明の第８実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第９実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第１０実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第１１実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第１２実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第１３実施形態の水素ポンプの断面図。 本発明の第１４実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプの断面図であって、（ａ）はインペラ組立体を上方移動した状態を示す図であり（ｂ）はインペラ組立体を下方移動した状態を示す図。 図２０（ｂ）のＡ部の拡大断面図。 同水素ポンプのインペラ組立体が上方移動した状態にあるシール構造体の拡大断面図。 本発明の第１５実施形態の水素ポンプの断面図。 同水素ポンプのインペラの平面図。 同水素ポンプ内の流路圧力分布を示すグラフ。 第１〜１５実施形態の水素ポンプの変形例を示す断面図。 同水素ポンプのインペラの平面図。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
４ 水素タンク
５ 減圧弁
６ 圧力調整弁
７ａ 水素供給流路
７ｂ 水素排出流路
８ 水素循環流路
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｉ，１０Ｊ，１０Ｋ，１０Ｌ，１０Ｍ，１０Ｎ，１０Ｐ，１０Ｑ 水素ポンプ
１１ インペラ
１１ａ バケット部
１１ｃ バケット形成面
１２ ハウジング
１２ａ 対向面
１３ 電動モータ
１３ａ ステータ
１３ｂ ロータ
１３ｃ 回転軸
１４ インペラ組立体
２０ 圧力導入流路
２３ 水素供給弁
２４ バイパス流路
２５ バイパス弁
３２ ロータ室
３４ ポンプ室
４１ 第１シール板（シール構造体）
４２ 第２シール板（シール構造体）
４３，４４ シールリング
５０，５１ ブレード
５５ａ 開口部の周縁部上面（シール面）
５７ 環状段部
５７ａ 開口部の周縁部上面（シール面）
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，１００Ｈ クリアランス調整手段
１１０，１１０Ｄ，１１０Ｅ，１１０Ｆ インペラ移動手段
１１１ 予圧ばね（付勢手段）
１１２ ヒンジ部
１１３ 弾性体（可撓部材）
１１４ バイメタル（感温変位部材）
１１５ ヒータ（加熱手段）
１１６ サーモエレメント（熱伸縮部材）
１１７ ヒータ（加熱手段）
１２２ ステッピングモータ
１２３ ねじ部
１５０ ハウジング移動手段
１５１ 冷媒流路
１５２ 弾性体
１５３ ブロック体
Ｒ１ 軸受収容室
Ｒ２ 軸受収容室
δ クリアランス

Claims (36)

1. ハウジングと、前記ハウジング内に回転自在に配置されたインペラと、を備え、前記インペラの回転に伴って水素ガスを吸入して加圧しその加圧水素ガスを吐出する水素ポンプであって、
   前記インペラのバケット部が形成されるバケット形成面と、前記バケット形成面に対向するハウジングの対向面と、の間のクリアランスを可変とするクリアランス調整手段を備えることを特徴とする水素ポンプ。
2. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、ポンプの運転時に前記クリアランスを小さくし、ポンプの停止時に前記クリアランスを大きくすることを特徴とする水素ポンプ。
3. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、ポンプの運転負荷が所定値以上に増加する場合に前記クリアランスを大きくすることを特徴とする水素ポンプ。
4. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、ポンプの運転時に所定量以上の水分が流入した場合に前記クリアランスを大きくすることを特徴とする水素ポンプ。
5. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、ポンプの運転電流が所定値以上に増加した場合に前記クリアランスを大きくすることを特徴とする水素ポンプ。
6. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、前記水素ガスの吸入圧と前記水素ガスの吐出圧との差圧が所定圧以上で前記クリアランスを大きくすることを特徴とする水素ポンプ。
7. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、前記インペラをその軸方向に移動させるインペラ移動手段であることを特徴とする水素ポンプ。
8. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
   前記インペラ移動手段は、前記インペラとこのインペラの回転軸に固定された電動モータのロータとを結合したインペラ組立体を前記クリアランスが増大する方向に常時付勢する付勢手段と、前記電動モータへの通電時に前記インペラ組立体のロータを前記クリアランスが減少する方向に移動させる前記電動モータのステータと、によって構成されることを特徴とする水素ポンプ。
9. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
   前記クリアランス調整手段は、前記インペラの中心部と前記バケット部を有する外周部との間においてこれらを連結するヒンジ部として構成され、回転に伴う遠心力で前記インペラの外周部を前記ハウジングの対向面に近接させることを特徴とする水素ポンプ。
10. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
    前記クリアランス調整手段は、前記インペラの中心部と前記バケット部を有する外周部との間において両者を連結する可撓部材であることを特徴とする水素ポンプ。
11. 請求項１０に記載の水素ポンプであって、
    前記可撓部材は、前記インペラの回転に伴う遠心力で前記インペラの外周部を前記ハウジングの対向面に近接させることを特徴とする水素ポンプ。
12. 請求項１０または１１に記載の水素ポンプであって、
    前記可撓部材は、温度上昇に伴って前記インペラの外周部を前記ハウジングの対向面に近接させる方向に変形させる感温変位部材で形成されていることを特徴とする水素ポンプ。
13. 請求項１２に記載の水素ポンプであって、
    前記感温変位部材の近傍に、加熱量を任意に調節可能な加熱手段が設けられていることを特徴とする水素ポンプ。
14. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
    前記インペラ移動手段は、前記インペラと前記ハウジングとの間に設けられ、伸縮により前記インペラを軸方向に移動させる伸縮手段であることを特徴とする水素ポンプ。
15. 請求項１４に記載の水素ポンプであって、
    前記伸縮手段は、温度に相関して伸縮して前記インペラを軸方向に移動させる熱伸縮部材であることを特徴とする水素ポンプ。
16. 請求項１５に記載の水素ポンプであって、
    前記熱伸縮部材の近傍に、加熱量を任意に調節可能な加熱手段が設けられていることを特徴とする水素ポンプ。
17. 請求項１４に記載の水素ポンプであって、
    前記伸長手段は、伸縮により前記インペラを軸方向に移動させる圧電素子であることを特徴とする水素ポンプ。
18. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
    前記インペラ移動手段は、回転角度制御が可能なステッピングモータと、このステッピングモータの回転量を前記インペラの軸方向移動に変換するねじ部と、を備えて構成されていることを特徴とする水素ポンプ。
19. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
    前記クリアランス調整手段は、前記インペラに対して前記ハウジングの対向面を変位させるハウジング側移動手段であることを特徴とする水素ポンプ。
20. 請求項１９に記載の水素ポンプであって、
    前記ハウジング側移動手段は、ハウジング本体に装着されて前記ハウジングの対向面を形成し且つ前記ハウジング本体との間に冷却液を流通させる冷却流路を画成する弾性体で構成されていることを特徴とする水素ポンプ。
21. 請求項１９に記載の水素ポンプであって、
    前記ハウジング側移動手段は、ハウジング本体に装着されて前記ハウジングの対向面を形成し且つ前記ハウジング本体よりも熱膨張率の大きな材料で形成されたブロック体であることを特徴とする水素ポンプ。
22. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
    前記インペラ移動手段は、内部に導入される流体の量または圧が調整されることで、前記インペラを軸方向に移動させる圧力室あることを特徴とする水素ポンプ。
23. 請求項２２に記載の水素ポンプであって、
    前記水素ポンプは、水素タンクから燃料電池へ水素を供給する水素供給流路と前記燃料電池から排水素を排出する水素排出流路とを備える燃料電池システムのうち、前記水素供給流路と前記水素排出流路とを連結した水素循環流路の途中に配置されて前記水素排出流路を流れる排水素を再び前記水素供給流路に帰還させる水素ポンプとして利用されるものであり、
    前記圧力室に導入されるガスは、前記水素供給流路に上流から順番に設けられた減圧弁と圧力調整弁との間から分岐する圧力導入流路、を介して導入されることを特徴とする水素ポンプ。
24. 請求項２３に記載の水素ポンプであって、
    前記圧力導入流路には前記圧力導入流路を開閉制御する水素供給弁が設けられ、前記圧力導入流路の水素供給弁の下流側と前記水素ポンプの下流側とを連結してポンプの吐出圧を導入するバイパス流路が設けられ、前記バイパス流路には前記バイパス流路を開閉制御するバイパス弁が設けられていることを特徴とする水素ポンプ。
25. 請求項２２に記載の水素ポンプであって、
    前記水素ポンプは、水素タンクから燃料電池へ水素を供給する水素供給流路と前記燃料電池から排水素を排出する水素排出流路とを備える燃料電池システムのうち、前記水素供給流路と前記水素排出流路とを連結した水素循環流路の途中に配置されて前記水素排出流路を流れる排水素を再び前記水素供給通路に帰還させる水素ポンプとして利用されるものであり、
    前記圧力室に導入されるガスは、前記水素供給流路の減圧弁よりも上流側から分岐する圧力導入流路を介して導入される特徴とする水素ポンプ。
26. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
    前記クリアランス調整手段は、内部の圧力が上昇するのに伴って前記インペラの前記クリアランスを減少する側へ移動させる第１の圧力室と、内部の圧力が上昇するのに伴って前記インペラの前記クリアランスを増大する側に移動させる第２の圧力室と、を備えてなり、第１の圧力室にポンプの吐出圧が導入される一方、第２の圧力室にポンプの吸入圧が導入されていることを特徴とする水素ポンプ。
27. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
    前記インペラを収容するポンプ室と、前記ポンプ室と連通するとともに前記インペラの回転軸の少なくとも一端側に固定された電動モータのロータを収容するロータ室と、を、ポンプの停止時に隔離するシール構造体を備えることを特徴とする水素ポンプ。
28. 請求項７に記載の水素ポンプであって、
    前記インペラを収容したポンプ室と、前記ポンプ室と連通するとともに前記インペラの回転軸の少なくとも一端側を軸支する軸受を収容する軸受収容室と、をポンプの停止時に隔離するシール構造体を備えることを特徴とする水素ポンプ。
29. 請求項２７に記載の水素ポンプであって、
    前記シール構造体は、前記インペラの回転軸に固定されるとともに、前記ポンプ室と連通するロータ室の開口端を覆うサイズで形成された板状弾性体であることを特徴とする水素ポンプ。
30. 請求項２８に記載の水素ポンプであって、
    前記シール構造体は、前記インペラの回転軸に固定されるとともに、前記ポンプ室と連通する軸受収容室の開口端を覆うサイズで形成された板状弾性体であることを特徴とする水素ポンプ。
31. 請求項２９または３０に記載の水素ポンプであって、
    前記シール構造体は、前記インペラの軸方向の移動に伴って、ポンプの停止時には前記開口端の周縁のシール面に接触し、ポンプの運転時には前記開口端の周縁のシール面から離間することを特徴とする水素ポンプ。
32. 請求項３１に記載の水素ポンプであって、
    前記シール構造体は、前記シール面から離間するポンプの運転時において当該シール構造体が最大に変形した場合にも、前記シール面との非接触が維持されることを特徴とする水素ポンプ。
33. 請求項２７〜３２のいずれか１つに記載の水素ポンプであって、
    ポンプ運転開始時に前記インペラを軸方向に移動させることで、前記シール構造体と前記ハウジングのシール面との間の凍結を剥離することを特徴とする水素ポンプ。
34. 請求項１〜３３のいずれか１つに記載の水素ポンプであって、
    前記バケット形成面と前記ハウジング対向面との間に、前記バケット部をその内周側と外周側から挟むようにして、内シールリングおよび外シールリングが設けられていることを特徴とする水素ポンプ。
35. 請求項１〜３４のいずれか１つに記載の水素ポンプであって、
    前記インペラを回転自在に収容するポンプ室と、前記ポンプ室に通じる開口端を有して前記インペラの回転軸の両端側を収容する室と、を備え、
    前記開口端に近傍において、前記インペラまたは当該インペラの回転軸に放射状に固定されたブレードを備えることを特徴とする水素ポンプ。
36. 請求項１に記載の水素ポンプであって、
    前記水素ポンプは、水素タンクから燃料電池へ水素を供給する水素供給流路と前記燃料電池から排水素を排出する水素排出流路とを備える燃料電池システムのうち、前記水素供給流路と前記水素排出流路とを連結した水素循環流路の途中に配置されて前記水素排出流路を流れる排水素を再び前記水素供給流路に帰還させる水素ポンプとして利用されるものであり、
    前記インペラの回転軸の両端側を収容する室に、前記水素供給流路のうち前記水素循環流路との合流点よりも前記水素タンク側のドライガス流通領域から分岐するドライガス供給流路が、開閉弁を介して連通接続されていることを特徴とする水素ポンプ。
    
    

Images