JP2008047392A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】このシート部材40は、ピトー管38内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端39及び前記排水通路37の入口側開口端41に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路37の入口側の開口端41を閉じているが、ピトー管38内の水圧の増大したときには、弾性的に変形して開口端から離間して前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的または連続的に連通させ、排水ポートの水を排水通路37に排出するようになっている。
【選択図】図6
Description
(1)運用期間中の全ての燃料/酸化剤の運搬・確保
(2)導入通路閉鎖環境下における気密性(外部への排出無し)の確保
微小重力下での生成水の除去燃料電池は電気と共に水を生成するが、微小重力環境(10-6-10-8G)となる軌道上では気体と液体は容易に分離されないため、水を除去する機構が必要となる。また、外部から燃料・酸化剤を供給することができないため、閉ざされた宇宙機の内部に電池反応に必要となる活物質等の全てを貯蔵する必要があり、ロケットの打上げ負荷の軽減等のための重量軽減・コンパクト化が重要である。発電部で効率的な発電を維持するためには、電解質膜/電極/酸素ガス付近において電気化学反応により生成された反応生成水は、そこに留まると反応阻害物質となってしまうため効率的に除去する必要があり、水の除去・分離技術が重要となる。
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構を備えたことを特徴とする循環ポンプが提供される。
前記排水機構が、前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
前記ピトー管内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側を閉じているが、前記ピトー管内の水圧の増大したときには、弾性的に変形して開口端から離間して前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的または連続的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するシート部材とを備えている。本件発明者らは、このシート部材の動作によって、排水ポートからの水が排水通路側に選択的に排出され、ガス分は排出されないことを知見した。このシート部材は、代表的には、好ましくは上記の動作を保障する程度に可撓性、柔軟性のあるパネル部材で構成される。たとえば薄いシート状に加工されたテフロン(登録商標)等の高分子材料を好適に使用することができる。
該集水部からの水を排出するための排水ポートと、
前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路と、
前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じることができるように構成されたシート部材とを備え、
前記ピトー管内の水圧が低いときには、前記シート部材は前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端の両方に同時に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じており、前記ピトー管内の水圧が増大したとき前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するように動作することを特徴とする排水弁が提供される。
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸い込み、前記未反応気体を前記燃料電池に当該気体の入口に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構とを有する循環ポンプとを備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
が成り立つ。ここで、m(h)はピトー管38の開口端部47からの水面の高さに依存する質量、rは回転の半径、ωは角速度である。
により排水ポートと排水通路のそれぞれの開口端の周縁に密着して両者を閉塞しており、両開口端39及び41の連通を遮断している。
となり、排水ポート36側の水圧がスプリング42によるシート部材40の押圧力を上回るようになると、水圧に押されてシート部材40が開口端39、41から離間するように変位して、シート部材40が排水ポート36及び排水通路37の両方の開口端39、41に密着することによって分断されていたピトー管38・排水ポート36及び排水通路37の端部が空間的に連通する(図6)。
となって、集水部30内部で水により発生した圧力がスプリング42による押圧力よりも小さくなると、シート部材40は再び押圧部材43によりピトー管38・排水ポート36及び排水通路37の開口端39側へ押し付けられ、ピトー管38・排水ポート36と排水通路37の連通を遮断して、再び水の流通が停止される。
2 負荷
10 燃料電池(燃料電池スタック)
11 水素イオン電解質膜
12 燃料極
13 酸化剤極
14 水素供給口
15 酸素排出口
16 酸素供給口
17 循環ポンプ
18 ポンプ部
19 モータ部
20 酸化剤気体出口通路
21 導入通路
22 吸気口
23 排気口
24 ポンプケーシング
25 インペラ
26 インペラの回転軸
27 排水機構(排水弁)
28 水分トラップ
29 開口
30 集水部
31 前側ポンプケーシング
32 後側ポンプケーシング
33 モータケーシング
34 モータ
35 モータ回転軸
36 排水ポート
37 排水通路
38 ピトー管
39 排水ポート36の出口側の開口
40 シート部材
41 排水通路の入口側開口
42 スプリング
43 押圧部材
44 空間部
45 均圧管
46 大径部
47 開口端部
Claims (17)
- 燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸入し、前記未反応気体を前記燃料電池の当該気体の入口側に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構を備えたことを特徴とする循環ポンプ。 - さらに、前記集水部からの水を排出するための排水ポートと該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路とを備え、
前記排水機構が、前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
前記ピトー管内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側を閉じており、前記ピトー管内の水圧の増大したとき排水ポート及び排水通路の開口端から離間して、前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するシート部材とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の循環ポンプ。 - 前記シート部材の背後に隣接して配置され前記シート部材を弾性力によって前記排水ポートの開口部に対して押しつける付勢部材をさらに備えていることを特徴とする請求項2に記載の循環ポンプ。
- 前記付勢部材の背後に空間部が設けられ、該空間部と前記導入通路とを連通する均圧管が配設されていることを特徴とする請求項3に記載の循環ポンプ。
- 前記水分トラップが、前記気体導入部の端部のインペラ前部かつインペラの回転中心部から半径方向に外側に向かって延びるように配設されたガス透過性多孔質材で構成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
- 生成水及び未反応気体を含む気水混合物が前記インペラの回転軸に沿って前記ポンプの吸入口に案内され、インペラの前面中央部において前記水分トラップに衝突しインペラの前面壁に沿って直角に進行方向を変更させられ、半径方向外方に向かって案内された後、前記ポンプケーシングの排出口に案内されるようになっていることを特徴とする請求項1ないし5に記載の循環ポンプ。
- マグネットモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合されていることを特徴と請求項1ないし6のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
- ブラシレスモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
- 微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
- 遠心力を受けている水を収容することが可能な集水部と、
該集水部からの水を排出するための排水ポートと、
前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路と、
前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じることができるように構成されたシート部材とを備え、
前記ピトー管内の水圧が低いときには、前記シート部材は前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端の両方に同時に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じており、前記ピトー管内の水圧が増大したとき前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するように動作することを特徴とする排水弁。 - 前記シート部材の背後に隣接して配置され前記シート部材を弾性力によって前記排水ポートの開口部に対して押しつける付勢部材をさらに備えていることを特徴とする請求項10に記載の排水弁。
- 前記付勢部材の背後に設けられた空間部と該空間部と前記集水部の水が接している空間とを連通する均圧管が配設されていることを特徴とする請求項10または11のいずれかの請求項に記載の排水弁。
- 微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項10ないし12のいずれかの請求項に記載の排水弁。
- 燃料極側に供給された気体と酸化剤極側に供給された気体との電気化学的反応により電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸い込み、前記未反応気体を前記燃料電池に当該気体の入口に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構とを有する循環ポンプとを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料極と酸化剤極のうちの少なくとも酸化剤極側からの気体の排出口を前記酸化剤極側への気体の供給路に接続して閉循環路を形成し、該閉循環路に凝縮器を設けた請求項14に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料気体および酸化剤気体が供給源から無加湿で前記凝縮器に供給されることを特徴とする請求項14または15のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
- 微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項14ないし16のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
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