JP2008019727A - 燃料循環ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動の水素循環ポンプにおいて、モータの発熱によって効率的に燃料循環ポンプを加温する。
【解決手段】絶縁性液体のフロリナート１０１を貯留するフロリナートリザーバタンク８３と空気圧縮機１４の空気圧によってモータケーシング７７の内部にフロリナート１０１を注入する絶縁性液体注入手段とを備える。水素循環ポンプ３７とモータ３９とをクラッチ５７によって切り離して、モータケーシング７７に絶縁性液体注入手段によってフロリナート１０１を注入する。フロリナート１０１を注入後モータ３９に通電、回転させる。ロータ７３、ステータ７１の発熱によってフロリナート１０１を加温、流動させてフロリナート１０１に接しているポンプケーシング５５を加温して水素循環ポンプ３７を解凍する。解凍後クラッチ５７を接続して水素循環ポンプ３７を起動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料循環ポンプの構造に関する。

燃料電池では、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられる場合が多い。このような、水素と空気を用いた燃料電池では、水素は燃料側電極の触媒の作用によって水素イオンと電子に別れ、水素イオンは電解質膜を通して酸化剤極に移動し、酸化剤側電極の触媒の作用で水素イオンと外部の負荷を回ってきた電子と酸素が結合して水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出され、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿モジュールによって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。また、燃料側電極を流れる水素ガスは、流路を流れている水素の一部が反応して消費されるので、水素ポンプによって水素を循環させる循環系統となっており、発電反応で消費された分の水素が外部の水素タンクから水素の循環系統に供給されるようになっている。

上記のような燃料電池の動作原理では、空気側電極で水が生成され、生成された水は水素電極側には入り込まないこととなっているが、実際の燃料電池においては、反応中に発生する逆拡散現象によって、微小な量の生成水が水素側電極に入り込んでくる。ところが、水素系統は上記のように循環系統となっていることから、水素系統に入り込んだ生成水は次第に水素循環系統内に蓄積されてくる。そして、水素系統内に水蒸気あるいは水滴として滞留してくる。水素系統には、このように循環系統に滞留してきた水分や濃縮された不純物などを所定の運転時間ごとに排出するパージ系統が設置されている。しかし、上記の生成水は微小量ではあるが、燃料電池の運転中に継続して水素電極側に入り込んでくるので、水素循環系統は常に幾分かの水分を水蒸気あるいは、水滴の形で含んでいることとなる。

このような燃料電池の寒冷地での使用においては、氷点下の温度で燃料電池を長時間停止させると水素ガス中に入り込んだ水蒸気又は水滴が水素循環ポンプ内で凍結し、燃料電池の起動ができなくなってしまうという問題があった。そして、この問題を解決するために、水素循環ポンプを、水素を吸蔵して発熱するとともに水素を放出して発熱する水素吸蔵合金を内蔵した暖機ジャケットにて被い、燃料電池の起動時には水素を暖機ジャケットに導入して水素吸蔵合金を発熱させ、発生した熱で水素循環ポンプを暖機する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、モータ駆動のポンプにおいて、遠心式ポンプ内部に残留した液体が凍結した場合のポンプの起動方法として、ポンプインペラとモータとの間にワンウェイクラッチを取り付けるとともに、モータとポンプとの間に熱伝導部材としての円筒部材を取り付けるポンプモータが提案されている。このポンプモータでは、ポンプが凍結している場合には、ワンウェイクラッチによってポンプインペラの回転を止めたままの状態でモータを逆回転させ、モータのロータ、ステータの発熱によって円筒部材を加熱し、円筒部材の熱伝導によってその熱をポンプ室に伝達しポンプの加温、解凍を行うというものである（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−７６９５９号公報 特開２００５−２９９６１７号公報

しかし、特許文献１に開示された従来技術においては、水素吸蔵合金に水素を供給する装置が複雑であり、装置全体が大型化してしまうという問題があった。また、特許文献２に記載されている従来技術では、モータの発熱によって円筒部材を加熱し、その熱を円筒部材の熱伝導によってポンプに伝達してポンプの解凍を行うことから、熱の伝達が効率的ではなくポンプの解凍に時間がかかるという問題がある。

本発明は、モータの発熱によって効率的に燃料循環ポンプを加温することを目的とする。また、本発明の他の目的は、簡便な構造で低温状態からの始動特性のよい燃料循環ポンプを提供することを目的とする。

本発明の燃料循環ポンプは、燃料電池システムに用いられ、モータによって駆動される燃料循環ポンプであって、燃料循環ポンプ駆動軸とモータ回転軸とを接続及び切り離しするクラッチと、モータケーシング内に絶縁性液体を注入する絶縁性液体注入手段と、ポンプ駆動制御部と、を含み、前記ポンプ駆動制御部は、前記絶縁性液体注入手段によって前記絶縁性液体を前記モータのロータの少なくとも一部がつかるように前記モータケーシング内に注入し、前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを切り離し、前記モータを回転させて前記絶縁性液体を加温し、加温された前記絶縁性液体に接している前記燃料循環ポンプを加温するポンプ加温手段、を有することを特徴とする。

また、本発明の燃料循環ポンプは、更に、前記ポンプケーシング外面に前記モータケーシング内と連通するよう取り付けられ、内部に絶縁性液体が注入されるとともに、前記モータケーシング内で加温された前記絶縁性液体が循環する絶縁性液体ジャケット、を有すること、としても好適であるし、更に、前記モータケーシング又は絶縁性液体ジャケットと接続される絶縁性液体リザーバタンク、を有することとしても好適である。

また、本発明の燃料循環ポンプは、更に、ポンプ温度検出手段を備え、前記制御部は、更に、前記ポンプ温度検出手段によって検出されたポンプ温度が所定の温度以下であった場合に、前記絶縁性液体注入手段によって前記絶縁性液体を前記モータケーシング内に注入する絶縁性液体注入手段、を有することとしても好適であるし、更に、モータケーシング内又は絶縁性液体ジャケットから絶縁性液体を絶縁性液体リザーバタンクに排出する絶縁性液体排出手段を備えていること、としても好適である。

本発明の燃料循環ポンプは、燃料電池システムに用いられ、モータによって駆動される燃料循環ポンプであって、燃料循環ポンプ駆動軸とモータ回転軸とを接続及び切り離しするクラッチと、ポンプ温度検出手段と、ポンプ駆動制御部と、を含み、前記ポンプ駆動制御部は、前記ポンプ温度検出手段によって検出されたポンプ温度が所定の温度以下であった場合に、前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを切り離して前記モータを回転させ、前記モータを回転させた状態で前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを接続し、前記燃料循環ポンプを衝撃起動するポンプ衝撃起動手段、を有することを特徴とする。

本発明は、モータの発熱によって効率的に燃料循環ポンプを加温することができるという効果を奏する。また、本発明は、簡便な構造で低温状態からの始動特性のよい燃料循環ポンプを提供することができるという効果を奏する。

本発明の好適な実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池循環ポンプの実施形態を含む燃料電池システムの概略系統図である。図１に示すように、この燃料電池システムは酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８や空気フィルタを介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１４に吸込まれ、空気圧縮機１４によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から燃料電池の空気供給管路２１に供給される。空気は途中で、加湿モジュール１５において燃料電池１１での反応で生成された水分を付加され、湿り空気となって空気供給管路２１から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の酸化剤極である空気側電極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素と反応して発電して酸素が減少し、反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。湿分の増加した空気は燃料電池１１の空気排気管路２３に排出される。排気された湿分を多く含む空気は、加湿モジュール１５でその湿分の一部を供給空気への付加湿分とするために除去される。湿分量が減少した排出空気は排気管路２３によって下流に流れ、大気放出管路２４からサイレンサ４７を通って大気放出口４９から大気に放出される。

燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク３１に貯留されている。水素は水素ガスタンク３１から水素供給管路３３によって燃料電池１１の燃料側電極である水素側電極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気側電極１２に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側電極１３から排出された後、水素循環管路３８に設けられた水素循環ポンプ３７によって再度加圧されて燃料電池１１の水素側電極１３に供給される。水素循環ポンプ３７はルーツ式ポンプであってモータ３９で駆動される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク３１から水素供給管路３３によって補充される。補充される水素ガスの量は水素ガス供給調節弁３２によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると逆拡散によって水素ガス中に入り込んだ反応生成水や水素ガス中に入っていた不純物が滞留、濃縮されてくる。そこで、このような水分や不純物がある程度滞留、濃縮されてきた場合には、所定量の水素ガスを水素排気管路４１から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、混合器４３によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に排出するようになっている。

燃料電池１１はその保護と低温での停止中の内部温度の低下による劣化の防止のために燃料電池ケース１７の中に収められている。この燃料電池ケース１７の中には燃料電池１１本体のみならず、直接燃料電池の制御に関係する調節弁などが一緒に収納されている。

図１及び図２に示すように、水素循環ポンプ３７は、モータ３９の内部に絶縁性液体である鉱油、合成油、鉱油と合成油の混合油等の絶縁油、具体的な例を挙げれば、フロンの一種の絶縁油であるフロリナートを内部に注入することができる絶縁性液体注入手段を有している。絶縁性液体注入手段は、絶縁性液体であるフロリナートを貯留するフロリナートリザーバタンク８３とフロリナートリザーバタンク８３に貯留されているフロリナートをモータ３９に押込む空気圧を調節するフロリナート押し込み空気弁８１と、フロリナート注入の際にモータ３９内部の空気をモータケーシング７７に接続された空気抜き管８７から外部に排気する空気抜き弁８９と、フロリナートをフロリナートリザーバタンク８３に戻す際にフロリナートリザーバタンク８３の圧力を逃がす圧力逃がし弁８６と、動作ガスとなる圧縮空気を空気圧縮機１４出口の圧縮機吐出管路２０から供給する空気供給管８２を含んで構成されている。

図２に示すように、フロリナートリザーバタンク８３は内部に上下に可動するピストン８４を備え、ピストン８４によってその内部を上部のフロリナート室８３ａと下部の押し出し空気室８３ｂに区分している。上部のフロリナート室８３ａにはフロリナート１０１が貯留され、フロリナート注入管８５によってモータケーシング７７と接続されている。また、下部の押し出し空気室８３ｂには空気供給管８２が接続され、空気圧縮機１４からの圧縮空気が導入できるように構成されている。また、フロリナートリザーバタンク８３には、ピストン位置検出センサ８８が取り付けられている。ピストン位置検出センサ８８はフロリナートリザーバタンク８３内のどの位置にピストン８４が位置しているかを検出するもので、フロリナートリザーバタンク８３の下部に固定された発振器から超音波などを発信してピストン８４との距離を測定するような非接触式でもよいし、フロリナートリザーバタンク８３内部のピストンと接触してその角度などから位置を検出するような接触式であってもよい。

モータ３９はモータケーシング７７の内面にステータ７１が固定され、モータ回転軸７５と一体になって回転するロータ７３とを備えている。モータ３９と水素循環ポンプ３７は一体となるように接続され、水素循環ポンプ３７のポンプケーシング５５一方の端板はモータ３９の一方の端板と共用となっている。ポンプケーシング５５の中には、水素循環ポンプロータ５１を駆動する駆動軸５３が回転自在に取り付けられている。モータ回転軸７５と駆動軸５３との間には、モータ回転軸７５と駆動軸５３とを接続及び切り離しするクラッチ５７が取り付けられている。クラッチ５７は電磁式のクラッチでもよいし、油圧式など他の形式のクラッチであってもよい。クラッチ５７はモータケーシング７７の内部に取り付けられ、周囲にはフロリナート１０１が入り込まないようにケーシングが取り付けられている。また、ポンプケーシング５５の下面には水素循環ポンプ吸い込み管路３５が取り付けられ、上部には水素循環ポンプ吐出管路３６が取り付けられている。更に、ポンプケーシング５５の温度を測定する温度センサ５６が、ポンプケーシング５５外面に取り付けられたり、ポンプケーシング５５を構成する板材に埋め込まれたりしている。

以上、述べたような構成の、モータ３９と、温度センサ５６と、クラッチ５７と、フロリナート押し込み空気弁８１と、空気抜き弁８９と、圧力逃がし弁８６と、ピストン位置検出センサ８８とは、水素循環ポンプの駆動制御を行う制御部９１にそれぞれ接続され、制御部９１からの指令によって駆動、制御されている。制御部９１は内部にＣＰＵと記憶部とを備え、ソフトウェアによって水素循環ポンプ３７の駆動制御を行うものであってもよいし、電気回路を組み合わせて制御回路を構成していてもよい。また、制御部９１には、他の制御部によって制御される空気圧縮機１４などの各機器の運転状態の信号、データが入力されている。

図３に本実施形態の水素循環ポンプ３７に用いられているルーツ式ポンプの概略断面図を示す。図３に示すように、ルーツ式ポンプは長円形のポンプケーシング５５の中で駆動軸５３ａ，５３ｂによって、まゆ型の水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂを互いに反対方向に回転させて流体を吸い込み圧縮、吐出する。各水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂの長手方向の先端は相手側ロータあるいはポンプケーシング５５と微小隙間を持って回転している。この微小隙間は数十ミクロン程度の隙間である。図３では、水素循環ポンプロータ５１ａはＡ点でポンプケーシング５５と微小隙間を持ち、Ｄ点で相手側の水素循環ポンプロータ５１ｂと微小隙間を持っている状態で、水素循環ポンプロータ５１ｂはＢ点及びＣ点にてポンプケーシング５５と微小隙間を持っている状態を示している。水素循環ポンプ３７は図３に示すように下部から水素を吸い込んで、上部から吐出するように取り付けられている。このように下部から吸い込んで上部から吐出することによって、循環系統中に入り込んできた水分は循環系統の下部に落ちていくので各水素循環ポンプ３７の内部には多くの水分が滞留しないようになっている。しかし、停止中には上記の微小隙間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの部分に温度低下によって水素ガス中に結露してきた水分が入り込んで、低温状態において凍結してしまうことがある。

図４及び５を参照しながら、本実施形態の動作について説明する。水素循環ポンプ３７が停止している状態を図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、停止状態では、フロリナートリザーバタンク８３のフロリナート室８３ａにはフロリナート１０１が貯留され、ピストン８４は最下部において停止している。モータケーシング７７の内部には空気が入っている。水素循環ポンプ３７は、先に説明したように、水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂとポンプケーシング５５との間に微小な隙間がある状態のまま停止している。停止中は、クラッチ５７は切り離し位置となっていて、水素循環ポンプ３７の駆動軸５３とモータ回転軸７５はそれぞれ独立に回転する状態となっている。また、空気抜き弁８９、圧力に逃がし弁８６、フロリナート押し込み空気弁８１はいずれも閉状態で、空気圧縮機１４も停止している。

低温状態での起動においては、燃料電池１１に空気を供給する空気圧縮機１４が起動される。この空気圧縮機１４の駆動信号は燃料電池１１の制御装置等の水素循環ポンプの駆動制御装置以外の制御装置から制御部９１に入力される。制御部９１は、図４のステップＳ１０１に示すように、空気圧縮機１４の起動状態を確認する。図２のステップＳ１０２に示すように、制御部９１は空気圧縮機１４の起動状態を確認したら、ポンプ温度センサ５６から入力された温度信号と所定の温度、例えば、−５℃などと比較して、水素循環ポンプ３７の温度が所定の温度以下である場合には、水素循環ポンプ３７が凍結状態であると判断し、所定の温度以上である場合には、水素循環ポンプ３７は凍結していないものと判断する。

制御部９１は、水素循環ポンプ３７が凍結状態であると判断した場合は、図４のステップＳ１０３に示すように、クラッチ５７に開放指令を出力してクラッチ５７を開放し、モータ回転軸７５と水素循環ポンプ３７の駆動軸５３とが切り離されていることを確認する。これによって、水素循環ポンプ３７を回転させずにモータ３９を回転させることができる。次に、制御部９１は、図４のステップＳ１０４に示すように、モータケーシング上部の空気抜き管８７に接続されている空気抜き弁８９を開とする指令を出力し空気抜き弁８９を開とする。そして制御部９１は、図４のステップＳ１０５に示すように、フロリナートリザーバタンク８３の押し出し空気室８３ｂに接続されている圧力逃がし弁８６を閉とする指令を出力し、圧力逃がし弁８６を閉とする。

制御部９１は、図４のステップＳ１０６に示すように、フロリナート押し込み空気弁８１を開とする指令を出力して、フロリナート押し込み空気弁８１を開とする。フロリナート押し込み空気弁８１を開とすると、空気圧縮機１４によって圧縮された空気が押し出し空気室８３ｂに流入してくる。流入した空気はその圧力でピストン８４を押し上げて、フロリナート室８３ａに貯留していたフロリナート１０１をモータケーシング７７の内部に注入していく。この際、モータケーシング７７の内部の空気はモータケーシング７７上部の空気抜き弁８９を通って外部へ排気される。ピストン８４はピストン位置検出センサ８８によって検出され、その位置の信号は制御部９１に入力される。図４のステップＳ１０７に示すように、制御部９１はこの信号によってピストン８４の位置を監視する。そしてピストン８４の位置が所定の位置まで上昇したと判断した場合には、制御部９１は、図４のステップＳ１０８に示すように、フロリナート押し込み空気弁８１を閉とする指令を出力して、フロリナート押し込み空気弁８１を閉とする。また、制御部９１は、図４のステップＳ１０９に示すように、空気抜き弁８９を閉とする指令を出力して空気抜き弁８９を閉とする。

上記の動作が終了すると、図５（ｂ）のように、モータケーシング７７の内部にフロリナート１０１が注入され他状態でモータケーシング７７は密閉され、モータケーシング７７の内面とポンプケーシング５５のモータ側面はフロリナート１０１と接した状態となる。また、圧力逃がし弁８６とフロリナート押し込み空気弁８１とが閉となっていることから、フロリナートリザーバタンク８３の押し出し空気室８３ｂは加圧された状態が保持されている。本実施形態では、図５（ｂ）のようにモータ回転軸７５とロータ７３の７０％程度がフロリナート１０１に浸かるような状態となっているが、ロータ７３の一部がフロリナート１０１に浸かるようになっていれば、もっとフロリナート１０１の注入量は少なくともよいし、逆にもっとフロリナート１０１の量を多くしてモータケーシング７７内部の空気を全部フロリナート１０１に置換しても良い。

制御部９１は、図４のステップＳ１１０に示すように、モータ３９に通電を開始してモータ３９を回転させる。図５（ｂ）に示すように、モータ３９に通電するとモータ回転軸７５とロータ７３とが回転し、ロータ７３とステータ７１とが発熱する。モータケーシング７７の内部にはフロリナート１０１が注入されていることから、ロータ７３の回転抵抗が内部が空気である状態よりも増加し、モータ３９のロータ７３、ステータ７１への通電量及び、ロータ７３、ステータ７１の発熱量も内部が空気である状態よりも大きくなる。ロータ７３、ステータ７１の発熱によってモータケーシング７７の内部に注入されたフロリナート１０１は温度が上昇するとともに、ロータ７３の回転によってモータケーシング７７の内部で流動する。温度の上昇したフロリナート１０１は流動しながらモータ３９との境界になっている面に接してポンプケーシング５５に熱伝達を行う。流動が大きいほど、表面の熱伝達率が上昇することから、内部にフロリナート１０１が注入されていない場合に比較して、モータ３９から水素循環ポンプ３７への移動熱量が大きくなる。熱の伝達は上記のようにモータ３９との境界になってフロリナートと接しているポンプケーシング５５の面のみでなく、モータ３９の発熱とフロリナート１０１の流動によって加熱されたモータケーシング７７からポンプケーシング５５の外周部にも伝達される。

図５（ｂ）の矢印で示すように、モータ３９との境界でフロリナート１０１と接しているポンプケーシング５５の面から水素循環ポンプ３７に入った熱は、ポンプケーシング５５の面から図３に示した水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂに伝達されて水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂを加温する。一方、他のポンプケーシング５５に伝達された熱は、ポンプケーシング５５の内部を熱伝導によってモータ３９の側から水素循環ポンプ端部に向かって移動し、ポンプケーシング５５をモータ３９の側から水素循環ポンプに向かって加温していく。

制御部９１は、図４のステップＳ１１１に示すように、ポンプ温度センサ５６によって検出した水素循環ポンプ３７の温度信号を取得し、所定の温度、例えば＋５℃など、と比較する。そして、ポンプ温度センサ５６によって検出した温度が所定の温度以上となった場合には、水素循環ポンプ３７は解凍された状態となったものと判断する。そして、制御部９１は、図４のステップＳ１１２に示すように、モータ３９への通電を停止する指令を出力し、モータ３９への通電を停止してモータ３９を停止する。モータ３９の停止後、制御部９１は図４のステップＳ１１３に示すように、空気抜き弁８９を開とする指令を出力して、空気抜き弁８９を開とし、図４のステップＳ１１４に示すように押し出し空気室８３ｂの圧力を逃がす圧力逃がし弁８６を開とする。すると、モータケーシング７７の内部に注入されていたフロリナート１０１は重力によってモータケーシング７７から下部のフロリナートリザーバタンク８３に排出される。制御部９１は、図４のステップＳ１１５に示すよう、ピストン８４の位置をピストン位置検出センサ８８からの出力信号によって監視する。そして、ピストン８４の位置が当初の位置まで戻ったと判断した場合には、制御部９１は、図４のステップＳ１１６に示すように、空気抜き弁８９を閉として、図４のステップＳ１１７に示すように圧力逃がし弁８６を閉とする。これによって、水素循環ポンプ３７は停止直後の状態となる。

上記のように、水素循環ポンプ３７の解凍が終了し、フロリナート１０１のフロリナートリザーバタンク８３への排出が終了すると、制御部９１は、図４のステップＳ１１８に示すように、クラッチ５７を接続して、図４のステップＳ１１９に示すようにモータ３９に通電指令を出力してモータ３９を起動して、図４のステップＳ１２０に示すように水素循環ポンプ３７を起動する。

一方、水素循環ポンプ３７が凍結状態に無いと判断した場合、制御部９１は、図４のステップＳ１５１に示すように、クラッチ５７を接続して、図４のステップＳ１５２に示すようにモータ３９に通電指令を出力してモータ３９を起動して、図４のステップＳ１５３に示すように水素循環ポンプ３７を起動する。

以上述べた、本実施形態では、モータケーシング７７の内部にロータ７３の回転抵抗となるフロリナート１０１を注入することによって、モータ３９の回転による発熱量を大きくすることができるとともに、モータケーシング７７の内部でのフロリナート１０１の流動によって、モータ３９において発生した熱を効率的に水素循環ポンプ３７に伝達することができることから、効率的に水素循環ポンプ３７を加温することができるという効果を奏する。また、低温状態からの起動において、水素循環ポンプ３７の解凍必要時間が短縮され、低温状態からの始動特性が改善されるという効果を奏する。

本実施形態は、ポンプ温度センサ５６によって水素循環ポンプ３７が凍結状態であると判断された場合にフロリナート１０１をモータケーシング７７に注入し、加熱、解凍が終了した場合には、フロリナート１０１をフロリナートリザーバタンク８３に排出することとして説明したが、冬季などで水素循環ポンプ３７の凍結状態での起動停止が煩雑に行われる場合には、一端注入したフロリナート１０１をモータケーシング７７から排出せずに、注入状態のままとしておいても好適である。この場合は、起動の際のフロリナート１０１の注入、排出にかかる時間が短縮できることから、水素循環ポンプ３７が凍結している場合の燃料電池１１の起動時間をより短縮し、始動特性を改善することができるという効果を奏する。

本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態について、図６を参照しながら説明する。図１から図５を参照しながら説明した実施形態と同様の部分には同様の部号を付して説明は省略する。図６に示した実施形態は、水素循環ポンプ３７のポンプケーシング５５の外部とモータケーシング７７の一部を囲むジャケット５８を取付け、ジャケット５８にフロリナートリザーバタンク８３からフロリナート１０１を注入するフロリナート注入管８５ｂと、ジャケット５８の上部にジャケット５８の内部の空気を空気抜き弁８９に接続する空気抜き管８７ｂをとりつけたものである。また、ポンプケーシング５５のジャケット５８に対向する面にはフィン５９が取り付けられている。ジャケット５８とモータケーシング７７との間には複数の連通孔５４が明けられている。例えば、モータケーシング７７の底部と上部、それに中心軸高さ位置などである。更に４５度あるいは３０度ごとに連通孔５４を空けても良い。ポンプ温度センサ５６はポンプケーシング５５の温度を正確に検出することができるようにカバーが取り付けられている。制御部９１の制御する系統構成は図２で説明した実施形態と同様である。

図６に示した実施形態の動作について、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は水素循環ポンプ３７が停止している状態を示している。図７（ａ）に示すように、停止状態では、フロリナートリザーバタンク８３のフロリナート室８３ａにはフロリナート１０１が貯留され、ピストン８４は最下部において停止している。モータケーシング７７の内部には空気が入っている。停止中は、クラッチ５７は切り離し位置となっていて、水素循環ポンプ３７の駆動軸５３とモータ回転軸７５はそれぞれ独立に回転する状態となっている。また、空気抜き弁８９、圧力に逃がし弁８６、フロリナート押し込み空気弁８１はいずれも閉状態で、空気圧縮機１４も停止している。

図４に示したフローチャートと同様の工程で、水素循環ポンプ３７とモータ３９との間のクラッチ５７の開放を確認し、空気抜き弁８９を開、圧力逃がし弁８６を閉としてフロリナート押込み空気弁８１を開とすると、図７（ｂ）に示すように、フロリナート１０１はモータケーシング７７及びジャケット５８に注入される。フロリナート１０１の注入が終了したら各弁を閉めて、モータ３９に通電し、ロータ７３を回転させる。ロータ７３、ステータ７１によって加熱されたフロリナート１０１は先の実施形態と同様にモータケーシング７７内を流動しながらその熱をポンプケーシング５５に伝達していく。またモータケーシング７７の内部で加温されたフロリナート１０１はモータケーシング７７とジャケット５８との間に設けられた上方の連通孔５４からジャケット側に流れ、ジャケット側の冷たいフロリナートは下側の連通孔５４からモータケーシング７７の内部に流入する。このようにステータ７１、ロータ７３の発熱によってジャケット５８内部のフロリナート１０１がジャケット５８とモータケーシング７７との間で循環流動し、ジャケット５８内部のフロリナート１０１もしだいに温度が上昇していく。加温されたフロリナート１０１はポンプケーシング５５に取り付けられたフィン５９を通してポンプケーシング５５をより効率的に加温していく。このように、図７（ｂ）の矢印に示すように、ポンプケーシング５５は周囲全体で加温されたフロリナート１０１と接し、この加温されたフロリナート１０１から熱周囲全体から流入するので、効率的に水素循環ポンプ３７の解凍を行い、燃料電池１１を短時間で起動することができるという効果を奏する。

水素循環ポンプ３７の解凍後、フロリナート１０１を排出し、クラッチ５７を接続してモータ３９、水素循環ポンプ３７を起動することは先の実施形態と同様である。また、冬季などで水素循環ポンプ３７の凍結状態での起動停止が煩雑に行われる場合には、先に説明した実施形態と同様に、一端注入したフロリナート１０１を排出せずに、注入状態のままとしておいても好適である。

本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態について、図８を参照しながら説明する。図１から図７と同様の部分には同様の符号を付して、説明は省略する。この実施形態は、絶縁性液体注入手段であるフロリナート注入手段を備えていない点で、図２で説明した実施形態と異なっている。従って、制御部９１にはポンプ温度センサ５６、クラッチ５７、モータ３９の指令信号および他の制御部からの信号が出力されるようになっている。

先に、図３において説明したように、水素循環ポンプ３７はルーツ式ポンプであり、図３に示した微小隙間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが凍結する場合が多い。この微小隙間は数十ミクロンと非常に小さい。また、水素ガス自体は乾燥ガスであるため、水素循環ポンプ３７の内部で凍結を起こす水分は逆拡散によって空気側電極１２から入り込んできたものである。このため凍結する水分量自体も多くない。このため、水分が凍結して、水素循環ポンプロータ５１ａ，５１ｂが固着されてしまう部分は非常に細い線状部分となる。従って、固着力も弱く、簡単な衝撃によって固着状態が開放される場合がある。特に、水素循環ポンプ３７の温度が氷点下になってはいるものの、大きな温度低下となっていない場合、例えば、−０．５℃から−３℃などの場合は上記のような状態となっている場合が多い。

図９，１０を参照しながら、本実施形態の動作について説明する。水素循環ポンプが停止している状態ではクラッチ５７は開放された状態となっている。図９のステップＳ２０１に示すように、制御部９１は、ポンプ温度センサ５６によって測定された温度が所定の値、例えば、上記のように−０．５℃から−３℃など、の際には、水素循環ポンプ３７は図３に示した微小隙間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが非常に細い線状に凍結、固着している状態にあるものと判断する。そしてその場合、制御部９１は、図９のステップＳ２０２に示すように、クラッチ５７に開放指令を出力しクラッチ５７を開放する。すでにクラッチ５７が開放されている場合は、この動作は確認動作となる。図９のステップＳ２０３に示すように、制御部９１は、モータ３９に通電指令を出力しモータ３９の回転を開始させる。この状態では、図１０（ａ）に示すように、ロータ７３が水素循環ポンプ３７の駆動軸５３とは独立して回転している。図９のステップＳ２０４に示すように、制御部９１は、モータへの通電後、内部クロックなどによってモータ３９の通電開始からの時間を取得し、モータ３９への通電から所定の時間が経過したかどうかを判断する。所定の時間、例えば１０秒など、が経過したら、ロータ７３の回転数は定格回転数に達したと判断する、そして、制御部９１は、図９のステップＳ２０５に示すように、モータ３９のロータ７３が回転状態のまま、クラッチ５７を接続する。すると、図１０（ｂ）に示すように、ロータ７３の回転慣性力によって、回転衝撃力がクラッチ５７を解して水素循環ポンプ３７の駆動軸５３に伝達される。駆動軸５３は水素循環ポンプロータ５１に衝撃回転力を伝達する。これによって、凍結による水素循環ポンプロータ５１とポンプケーシング５５又は水素循環ポンプロータ５１相互の線状固着部分が剥がれ、水素循環ポンプロータの回転が可能となる。水素循環ポンプロータ５１が回転を始め、図９のステップＳ２０６に示すように、ポンプが起動されたら、制御部９１はその状態で水素循環ポンプ３７の運転を継続する。

一方、水素循環ポンプ３７が凍結状態に無いと判断した場合、制御部９１は、図９のステップＳ２５１に示すように、クラッチ５７を接続して、図９のステップＳ２５２に示すようにモータ３９に通電指令を出力してモータ３９を起動して、図９のステップＳ２５３に示すように水素循環ポンプ３７を起動する。

以上説明した本実施形態では、水素循環ポンプ３７の駆動軸５３とモータ３９の回転軸７５との間にクラッチ５７を設けるという簡便な構成によって、凍結した水素循環ポンプ３７を直接起動することができる。このことから簡便な構造で低温状態からの始動特性を良くすることができるという効果を奏する。

本発明に係る燃料循環ポンプの実施形態を含む燃料電池システムの全体系統図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの実施形態の制御系統図である。 ルーツ式ポンプの概略断面図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの実施形態の起動フローチャートである。 本発明に係る燃料循環ポンプの実施形態の起動動作説明図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態の制御系統図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態の起動動作説明図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態の制御系統図である。 本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態の起動フローチャートである。 本発明に係る燃料循環ポンプの他の実施形態の起動動作説明図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池、１２ 空気側電極、１３ 水素側電極、１４ 空気圧縮機、１５ 加湿モジュール、１６ 空気圧縮機モータ、１７ 燃料電池ケース、１８ 吸気流量計、１９ 空気吸込み管路、２０ 圧縮機吐出管路、２１ 空気供給管路、２３ 空気排気管路、２４ 大気放出管路、３１ 水素ガスタンク、３２ 水素ガス供給調節弁、３３ 水素供給管路、３５ 水素循環ポンプ吸込み管路、３６ 水素循環ポンプ吐出管路、３７ 水素循環ポンプ、３８ 水素循環管路、３９ モータ、４１ 水素排気管路、４３ 混合器、４７ サイレンサ、４９ 大気放出口、５１，５１ａ，５１ｂ 水素循環ポンプロータ、５３ 駆動軸、５４ 連通孔、５５ ポンプケーシング、５６ ポンプ温度センサ、５７ クラッチ、５８ ジャケット、５９ フィン、７１ ステータ、７３ ロータ、７５ モータ回転軸、７７ モータケーシング、８１ フロリナート押し込み空気弁、８２ 空気供給管、８３ フロリナートリザーバタンク、８３ａ フロリナート室、８３ｂ 押し出し空気室、８４ ピストン、８５，８５ａ，８５ｂ フロリナート注入管、８６ 圧力逃がし弁、８７，８７ａ，８７ｂ 空気抜き管、８８ ピストン位置検出センサ、８９ 空気抜き弁、９１ ポンプ駆動制御部、１０１ フロリナート、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 微小隙間。

Claims (6)

1. 燃料電池システムに用いられ、モータによって駆動される燃料循環ポンプであって、
   燃料循環ポンプ駆動軸とモータ回転軸とを接続及び切り離しするクラッチと、
   モータケーシング内に絶縁性液体を注入する絶縁性液体注入手段と、
   ポンプ駆動制御部と、を含み、
   前記ポンプ駆動制御部は、前記絶縁性液体注入手段によって前記絶縁性液体を前記モータのロータの少なくとも一部がつかるように前記モータケーシング内に注入し、前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを切り離し、前記モータを回転させて前記絶縁性液体を加温し、加温された前記絶縁性液体に接している前記燃料循環ポンプを加温するポンプ加温手段、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。
2. 請求項１に記載の燃料循環ポンプであって、
   更に、前記ポンプケーシング外面に前記モータケーシング内と連通するよう取り付けられ、内部に絶縁性液体が注入されるとともに、前記モータケーシング内で加温された前記絶縁性液体が循環する絶縁性液体ジャケット、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載の燃料循環ポンプであって、
   更に、前記モータケーシング又は絶縁性液体ジャケットと接続される絶縁性液体リザーバタンク、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料循環ポンプであって、
   更に、ポンプ温度検出手段を備え、
   前記制御部は、更に、前記ポンプ温度検出手段によって検出されたポンプ温度が所定の温度以下であった場合に、前記絶縁性液体注入手段によって前記絶縁性液体を前記モータケーシング内に注入する絶縁性液体注入手段、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料循環ポンプであって、
   更に、モータケーシング内又は絶縁性液体ジャケットから絶縁性液体を絶縁性液体リザーバタンクに排出する絶縁性液体排出手段を備えていること、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。
6. 燃料電池システムに用いられ、モータによって駆動される燃料循環ポンプであって、
   燃料循環ポンプ駆動軸とモータ回転軸とを接続及び切り離しするクラッチと、
   ポンプ温度検出手段と、
   ポンプ駆動制御部と、を含み、
   前記ポンプ駆動制御部は、前記ポンプ温度検出手段によって検出されたポンプ温度が所定の温度以下であった場合に、前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを切り離して前記モータを回転させ、前記モータを回転させた状態で前記クラッチによって前記モータ回転軸と前記燃料循環ポンプとを接続し、前記燃料循環ポンプを衝撃起動するポンプ衝撃起動手段、
   を有することを特徴とする燃料循環ポンプ。

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