JP2009127560A - Pump and fuel cell system - Google Patents

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JP2009127560A JP2007304842A JP2007304842A JP2009127560A JP 2009127560 A JP2009127560 A JP 2009127560A JP 2007304842 A JP2007304842 A JP 2007304842A JP 2007304842 A JP2007304842 A JP 2007304842A JP 2009127560 A JP2009127560 A JP 2009127560A
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Norio Yamagishi
典生 山岸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit deterioration of not only a hydrogen pump itself, but also a member at a downstream side of the hydrogen pump, due to corrosive ion component in hydrogen off gas. <P>SOLUTION: The hydrogen pump 24 includes a casing 41 discharging the hydrogen off gas sucked into the same to an outside, and rotors 42, 43 provided in the casing 41 and movable for raising pressure of the hydrogen off gas. Inner surfaces 55, 56 of the casing 41 and an outer surface of the rotors 42, 43 are coated by ion-exchange resin on surfaces which may be touched by the hydrogen off gas, and the corrosive ion component is adsorbed by the ion-exchange resin. Unevenness (groove) is formed on an outer circumference surface of the rotors 42, 43 to enlarge surface area to be coated by the ion-exchange resin. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ポンプ及び燃料電池システムに関し、特に、ポンプの腐食防止技術に関するものである。   The present invention relates to a pump and a fuel cell system, and more particularly to a technology for preventing corrosion of a pump.

ポンプの腐食防止技術として、例えば特許文献1に記載のものが知られている。このポンプは、ルーツ型の真空ポンプであり、ロータの外周面にフッ素樹脂を基材とする保護膜を被覆したものである。このような構成を採用することで、半導体製造プロセスに用いるエッチング用ガス(フッ素化合物等のハロゲン系ガス)がもつ腐食性成分からロータを保護するようにしている。
特開2001−12373号公報
As a technique for preventing corrosion of a pump, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. This pump is a Roots-type vacuum pump, in which the outer peripheral surface of the rotor is coated with a protective film made of a fluororesin as a base material. By adopting such a configuration, the rotor is protected from the corrosive components of the etching gas (halogen gas such as a fluorine compound) used in the semiconductor manufacturing process.
JP 2001-12373 A

しかし、この真空ポンプの場合、ロータにコーティングした保護膜は、ロータへの腐食性成分の影響を避けるだけである。このため、真空ポンプの吐出側に連なる配管等が腐食性成分に反応して腐食するおそれがあった。   However, in the case of this vacuum pump, the protective film coated on the rotor only avoids the influence of corrosive components on the rotor. For this reason, piping connected to the discharge side of the vacuum pump may react with corrosive components and corrode.

そこで、本発明のポンプは、ポンプ自体はもちろんのこと、ポンプの下流側の部材についても、ガス中の腐食生成イオン成分による劣化を抑制することを目的としている。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出され得るガスに起因して、ポンプ及びその下流側の部材の劣化を抑制することを目的としている。   Therefore, the pump of the present invention is intended to suppress deterioration due to corrosion-generated ion components in the gas as well as the pump itself, as well as members downstream of the pump. Another object of the fuel cell system of the present invention is to suppress the deterioration of the pump and its downstream members due to the gas that can be discharged from the fuel cell.

上記目的を達成するための本発明のポンプは、内部に吸気されたガスが外部へと吐出されるケーシングと、ケーシング内に設けられ、ガスの昇圧のために可動する昇圧部材と、を備える。そして、ケーシングの内面及び昇圧部材の少なくとも一方は、ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされているものである。   In order to achieve the above object, a pump according to the present invention includes a casing from which gas sucked into the inside is discharged to the outside, and a pressurizing member that is provided in the casing and is movable for pressurizing the gas. At least one of the inner surface of the casing and the pressure increasing member is coated with an ion exchange resin on the surface that can be contacted with gas.

本発明のポンプによれば、ケーシング内に吸気されたガスに腐食生成イオン成分が含まれていたとしても、それをイオン交換樹脂によって吸着(除去)することができる。これにより、ケーシングの内面及び昇圧部材の少なくとも一方の劣化を抑制できる。また、ケーシング外へと圧送されるガスは、腐食生成イオン成分が除去されているため、例えばポンプの下流側に設けられる配管その他の部材についても、劣化を抑制できる。   According to the pump of the present invention, even if the gas sucked into the casing contains a corrosion-generated ion component, it can be adsorbed (removed) by the ion exchange resin. Thereby, deterioration of at least one of the inner surface of a casing and a pressure | voltage rise member can be suppressed. Further, since the corrosion-generated ion component is removed from the gas pumped out of the casing, for example, deterioration of pipes and other members provided on the downstream side of the pump can be suppressed.

好ましくは、ケーシングの内面及び昇圧部材の両方とも、ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされるとよい。   Preferably, both the inner surface of the casing and the pressure increasing member may be coated with an ion exchange resin on the surface that can be contacted with gas.

好ましくは、イオン交換樹脂をコーティングされた面には、凹凸が形成されるとよい。   Preferably, irregularities are formed on the surface coated with the ion exchange resin.

こうすることで、凹凸がない平坦な面に比べて、コーティング面の表面積を大きくすることができる。これにより、イオン交換樹脂による総吸着イオン量を増やすことができ、ポンプの寿命を延ばすことができる。   By doing so, the surface area of the coating surface can be increased compared to a flat surface having no irregularities. Thereby, the total amount of ions adsorbed by the ion exchange resin can be increased, and the life of the pump can be extended.

好ましくは、昇圧部材は、ケーシング内に回転可能に設けられたルーツ型の一対のロータであり、各ロータの外周面に、イオン交換樹脂をコーティングされるとよい。   Preferably, the pressurizing member is a pair of roots-type rotors rotatably provided in the casing, and an outer surface of each rotor may be coated with an ion exchange resin.

こうすることで、ルーツ型ポンプのロータの耐久性を向上することができる。   By doing so, the durability of the rotor of the Roots pump can be improved.

より好ましくは、一対のロータの少なくとも一方の外周面には、溝が形成されるとよい。   More preferably, a groove is formed on the outer peripheral surface of at least one of the pair of rotors.

こうすることで、平坦な外周面に比べて、コーティング面の表面積を大きくすることができるので、イオン交換樹脂による総吸着イオン量を増やすことができる。   By doing so, the surface area of the coating surface can be increased as compared with the flat outer peripheral surface, so that the total amount of ions adsorbed by the ion exchange resin can be increased.

好ましくは、一対のロータの両方の外周面には、互いに平行な凹部と凸部とが繰り返すように溝が形成され、一対のロータは、一方のロータの凹部が他方のロータの凸部にかみ合いながら回転するように構成されるとよい。   Preferably, grooves are formed on the outer peripheral surfaces of both of the pair of rotors so that the concave portions and the convex portions that are parallel to each other are repeated, and the concave portion of one rotor meshes with the convex portion of the other rotor. It may be configured to rotate while.

より好ましくは、凹部と凸部とは、各ロータの軸方向と直交する方向に延在するとよい。   More preferably, the concave portion and the convex portion may extend in a direction orthogonal to the axial direction of each rotor.

この構成によれば、凹部と凸部とはロータの回転方向に沿った方向に延在する。これにより、例えばガスに液体が含まれている場合に、ロータにおいて液体の抵抗を下げることができ、ポンプの効率を上げることができる。   According to this configuration, the concave portion and the convex portion extend in a direction along the rotation direction of the rotor. Thereby, for example, when the gas contains a liquid, the resistance of the liquid in the rotor can be reduced, and the efficiency of the pump can be increased.

より好ましくは、ケーシングの内面には、各ロータの凹部及び凸部にかみ合うように、各ロータの軸方向と直交する方向に延在する溝が形成されるとよい。   More preferably, a groove extending in a direction orthogonal to the axial direction of each rotor is formed on the inner surface of the casing so as to engage with the concave portion and the convex portion of each rotor.

こうすることで、例えばガスに液体が含まれている場合に、液体の抵抗をより一層下げることができる。   By doing so, for example, when the gas contains a liquid, the resistance of the liquid can be further reduced.

より好ましくは、ケーシングの内面にも、イオン交換樹脂がコーティングされるとよい。   More preferably, the inner surface of the casing is also coated with an ion exchange resin.

こうすることで、ロータの外表面のみならず、ケーシングの内面にもイオン交換樹脂がコーティングされるので、より一層寿命を延ばすことができる。   By doing so, not only the outer surface of the rotor but also the inner surface of the casing is coated with the ion exchange resin, so that the life can be further extended.

本発明の別の好ましい態様によれば、凹部と凸部とは、各ロータの軸方向と平行に延在するとよい。   According to another preferable aspect of the present invention, the concave portion and the convex portion may extend in parallel to the axial direction of each rotor.

この構成によれば、凹部と凸部とはロータの回転方向に直交する方向に延在する。これにより、例えば凹部と凸部とがロータの回転方向に沿った方向に延在する場合に比べて、ガスの昇圧性能を高めることができる。   According to this configuration, the concave portion and the convex portion extend in a direction orthogonal to the rotational direction of the rotor. Thereby, the pressure | voltage rise performance of gas can be improved compared with the case where a recessed part and a convex part extend in the direction along the rotation direction of a rotor, for example.

また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、上記した本発明のポンプと、燃料電池と、燃料電池から排出されたガスが流れる排出路とを備え、ポンプが排出路に設けられるものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes the above-described pump of the present invention, a fuel cell, and a discharge path through which gas discharged from the fuel cell flows, and the pump is provided in the discharge path. It is

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるガス中に含まれ得る腐食生成イオン成分をポンプで吸着することができるので、腐食生成イオン成分に起因したポンプの腐食を抑制できることはもちろん、排出路におけるポンプの下流側部分についても腐食を抑制できる。   According to the fuel cell system of the present invention, the corrosion-generated ion component that can be contained in the gas discharged from the fuel cell can be adsorbed by the pump, so that the pump corrosion caused by the corrosion-generated ion component can be suppressed. Of course, corrosion can also be suppressed in the downstream portion of the pump in the discharge path.

好ましくは、排出路は、燃料電池に水素ガスを循環させる流路であり、ポンプは、燃料電池に水素ガスを圧送するとよい。   Preferably, the discharge path is a flow path for circulating hydrogen gas in the fuel cell, and the pump may pump hydrogen gas to the fuel cell.

これにより、ポンプの腐食抑制のみならず、燃料電池の腐食抑制を図ることができる。   Thereby, not only the corrosion of the pump but also the corrosion of the fuel cell can be suppressed.

上記した本発明のポンプ及び燃料電池システムによれば、ガス中の腐食生成イオン成分による劣化を抑制することができる。   According to the above-described pump and fuel cell system of the present invention, deterioration due to corrosion-generated ion components in the gas can be suppressed.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係るポンプを燃料電池システムに適用した例について説明する。   Hereinafter, an example in which a pump according to a preferred embodiment of the present invention is applied to a fuel cell system will be described with reference to the accompanying drawings.

<第1実施形態>
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2、酸化ガス配管系3及び燃料ガス配管系4を備える。燃料電池システム1は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源にも適用可能である。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, an oxidizing gas piping system 3, and a fuel gas piping system 4. The fuel cell system 1 can be mounted on a vehicle, but of course can be applied not only to the vehicle but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.) and stationary power sources.

燃料電池2は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられる。一方のセパレータの酸化ガス流路2aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路2bに燃料ガスが供給される。供給された酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により、燃料電池2は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池2は発熱すると共に空気極側に水を生成する。固体高分子電解質型の燃料電池2の温度は、およそ60〜80℃となる。   The fuel cell 2 has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The solid polymer electrolyte type single cell has an air electrode on one surface of the electrolyte membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. . As the electrolyte membrane, a fluorine-based membrane is generally used. An oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas channel 2a of one separator, and a fuel gas is supplied to the fuel gas channel 2b of the other separator. The fuel cell 2 generates electric power by an electrochemical reaction between the supplied oxidizing gas and fuel gas. In addition, the fuel cell 2 generates heat and generates water on the air electrode side due to the electrochemical reaction. The temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell 2 is approximately 60 to 80 ° C.

酸化ガス配管系3は、供給路11及び排出路12を有する。コンプレッサ14は、供給路11に設けられ、エアクリーナ13を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池2の酸化ガス流路2aに圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器15によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。酸化オフガスは、酸化ガス流路2aから排出路12に排出され、エア調圧弁16及び加湿器15を経た後、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。   The oxidizing gas piping system 3 has a supply path 11 and a discharge path 12. The compressor 14 is provided in the supply passage 11, takes in outside air as an oxidizing gas via the air cleaner 13, and pumps it to the oxidizing gas passage 2 a of the fuel cell 2. Moisture exchange is performed between the oxidizing gas fed under pressure and the oxidizing off-gas by the humidifier 15 and humidified appropriately. The oxidizing off gas is discharged from the oxidizing gas flow path 2a to the discharge path 12, and after passing through the air pressure regulating valve 16 and the humidifier 15, is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas through a muffler (not shown).

燃料ガス配管系4は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に給排する。燃料ガス配管系4は、水素供給源21、供給路22、循環路23、水素ポンプ24及びパージ路25を有する。水素ガスは、元弁26を開くことで水素供給源21から供給路22に流出し、レギュレータ27及び遮断弁28を経て燃料ガス流路2bに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路2bから水素オフガスとして循環路23に排出される。水素オフガスは、循環路23と供給路22との合流点Aに水素ポンプ24によって圧送され、水素ガスに合流して再び燃料ガス流路2bに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁33の適宜の開弁により、循環路23からパージ路25へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。   The fuel gas piping system 4 supplies and discharges hydrogen gas as fuel gas to and from the fuel cell 2. The fuel gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a supply path 22, a circulation path 23, a hydrogen pump 24, and a purge path 25. The hydrogen gas flows out from the hydrogen supply source 21 to the supply path 22 by opening the main valve 26, and is supplied to the fuel gas flow path 2b through the regulator 27 and the shutoff valve 28. Thereafter, the hydrogen gas is discharged from the fuel gas passage 2b to the circulation passage 23 as hydrogen off gas. The hydrogen off-gas is pumped by a hydrogen pump 24 to a junction A between the circulation path 23 and the supply path 22, merges with the hydrogen gas, and is supplied to the fuel gas flow path 2b again. A part of the hydrogen off-gas is discharged from the circulation path 23 to the purge path 25 by appropriately opening the purge valve 33, and is discharged outside through a hydrogen diluter (not shown).

このような燃料電池システム1は、燃料電池2での電気化学反応によって水が生成され、この生成水が水素オフガスと共に燃料電池2から循環路23へと排出される。生成水及び水素オフガス中に粒子状態で浮遊する水分には、燃料電池2内の部品や循環路23等の配管要素から溶出された溶出成分が含まれ得る。溶出成分として、例えばフッ素系の電解質膜から溶出したフッ素イオンなどの腐食生成イオンが含まれることがある。腐食生成イオンが燃料電池2に供給されると、燃料電池2の劣化を促進してしまう。このため、イオン交換器を循環路23に設けて、腐食生成イオンが水素オフガスと共に燃料電池2に再び供給されないようにすることもある。本実施形態では、水素オフガス及び生成水に含有される腐食生成イオンをさらに除去するべく、水素ポンプ24の構造を工夫している。   In such a fuel cell system 1, water is generated by an electrochemical reaction in the fuel cell 2, and this generated water is discharged from the fuel cell 2 to the circulation path 23 together with hydrogen off gas. Moisture floating in the particulate state in the produced water and hydrogen off gas may include elution components eluted from components in the fuel cell 2 and piping elements such as the circulation path 23. As an elution component, for example, corrosion-generated ions such as fluorine ions eluted from a fluorine-based electrolyte membrane may be included. When the corrosion-generated ions are supplied to the fuel cell 2, the deterioration of the fuel cell 2 is promoted. For this reason, an ion exchanger may be provided in the circulation path 23 to prevent the corrosion-generated ions from being supplied again to the fuel cell 2 together with the hydrogen off gas. In the present embodiment, the structure of the hydrogen pump 24 is devised to further remove the corrosion-generated ions contained in the hydrogen off-gas and the generated water.

図2は、水素ポンプ24の要部を示す断面図であり、図3は、水素ポンプ24の要部を示す斜視図である。
水素ポンプ24は、ルーツ型からなり、ケーシング41と、一対のロータ42,43と、を備えている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main part of the hydrogen pump 24, and FIG. 3 is a perspective view showing the main part of the hydrogen pump 24.
The hydrogen pump 24 has a roots type and includes a casing 41 and a pair of rotors 42 and 43.

ケーシング41には、吸気口51、排気口52及びロータ室53が形成されており、ロータ室53にロータ42,43が収容されている。吸気口51と排気口52とは、ロータ室53を挟んで対向するように位置し、いずれもロータ室53に連通している。水素オフガスは、吸気口51からロータ室53へと吸入され、各ロータ42,43とロータ室53の内面との間で移動し、排気口52から外部へと吐出される。   The casing 41 is formed with an intake port 51, an exhaust port 52 and a rotor chamber 53, and the rotors 42 and 43 are accommodated in the rotor chamber 53. The intake port 51 and the exhaust port 52 are positioned so as to face each other with the rotor chamber 53 interposed therebetween, and both communicate with the rotor chamber 53. The hydrogen off-gas is sucked into the rotor chamber 53 from the intake port 51, moves between the rotors 42 and 43 and the inner surface of the rotor chamber 53, and is discharged from the exhaust port 52 to the outside.

ケーシング41の内面は、ロータ42に面する断面円弧形状の内面55と、ロータ43に面する断面円弧形状の内面56と、を有する。また、ケーシング41の内面は、内面55,56に連なる吸気側内面57と排気側内面58とを有する。吸気側内面57によって吸気口51が画定され、排気側内面58によって排気口52を画定される。内面55及び内面56によってロータ室53が画定されており、内面55とロータ42との間には互いに干渉しないように隙間が設定されている。また、内面56とロータ43との間にも、干渉しないように隙間が設定されている。   The inner surface of the casing 41 includes an inner surface 55 having a circular arc shape that faces the rotor 42, and an inner surface 56 having a circular arc shape that faces the rotor 43. Further, the inner surface of the casing 41 has an intake-side inner surface 57 and an exhaust-side inner surface 58 that are continuous with the inner surfaces 55 and 56. An intake port 51 is defined by the intake side inner surface 57, and an exhaust port 52 is defined by the exhaust side inner surface 58. A rotor chamber 53 is defined by the inner surface 55 and the inner surface 56, and a gap is set between the inner surface 55 and the rotor 42 so as not to interfere with each other. A gap is also set between the inner surface 56 and the rotor 43 so as not to interfere.

ロータ42,43は、図2の正面視、まゆ形をなしており、ロータ室53において位相を約90度ずらした状態で配置されている。ロータ42,43は、それぞれ、回転軸61,62に接続されており、互いに逆向きに回転可能に構成されている。図示省略したモータの出力が回転軸61に入力され、ロータ42が回転すると共に、回転軸61の回転力がタイミングギヤ組を介して回転軸62に伝達され、ロータ43が回転するようになっている。つまり、ロータ42が入力側ロータとして機能し、ロータ42,43が互いに逆向きに同期回転することで、水素オフガスを昇圧するようになっている。理想的には、一対のロータ42,43間には隙間が形成され、各ロータ42,43は互いに非接触で回転するように設計される。   The rotors 42 and 43 have an eyebrow shape as viewed from the front in FIG. 2 and are arranged in the rotor chamber 53 in a state where the phase is shifted by about 90 degrees. The rotors 42 and 43 are connected to the rotation shafts 61 and 62, respectively, and are configured to be rotatable in opposite directions. The output of the motor (not shown) is input to the rotating shaft 61, the rotor 42 rotates, and the rotational force of the rotating shaft 61 is transmitted to the rotating shaft 62 via the timing gear set, so that the rotor 43 rotates. Yes. That is, the rotor 42 functions as an input-side rotor, and the rotors 42 and 43 are synchronously rotated in opposite directions to increase the pressure of the hydrogen off gas. Ideally, a gap is formed between the pair of rotors 42 and 43, and the rotors 42 and 43 are designed to rotate without contact with each other.

ケーシング41の内面及びロータ42,43は、水素オフガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている。具体的には、ケーシング41の内面55,56及びロータ42,43のまゆ形の外周面には、イオン交換樹脂がコーティングされてなるイオン交換膜71が被覆されている。イオン交換樹脂は、例えばカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を有する粒子状又は繊維状のものであり、イオン交換膜71は、水素オフガス及び生成水中の腐食生成イオンをイオン交換により吸着する。   The inner surface of the casing 41 and the rotors 42 and 43 are coated with an ion exchange resin on the surface that can be contacted with hydrogen off gas. Specifically, the inner surfaces 55 and 56 of the casing 41 and the eyebrow-shaped outer peripheral surfaces of the rotors 42 and 43 are covered with an ion exchange membrane 71 that is coated with an ion exchange resin. The ion exchange resin is, for example, in the form of particles or fibers having a cation exchange resin and an anion exchange resin, and the ion exchange membrane 71 adsorbs the hydrogen off gas and corrosion-generated ions in the produced water by ion exchange.

他の実施態様によれば、ケーシング41の吸気側内面57にもイオン交換樹脂をコーティングするとよい。吸気側内面57も、水素オフガスが接触することになるからである。また、排気側内面58にも同様のコーティングを行ってもよい。さらに、軽量化等の観点から、ロータ42,43は、それぞれ、回転軸61,62を挟んで両側に貫通孔が形成されたものでもよく、この場合には、貫通孔を画定する内周面にもイオン交換樹脂をコーティングするとよい。なお、貫通孔は、回転軸61,62の延在方向(以下、「ロータ軸方向」という。)に延在する。   According to another embodiment, the intake side inner surface 57 of the casing 41 may be coated with an ion exchange resin. This is because the hydrogen-off gas also comes into contact with the intake-side inner surface 57. The exhaust side inner surface 58 may be coated similarly. Further, from the viewpoint of weight reduction and the like, the rotors 42 and 43 may have through holes formed on both sides of the rotary shafts 61 and 62, respectively. In this case, the inner peripheral surface defining the through holes In addition, an ion exchange resin may be coated. The through hole extends in the extending direction of the rotating shafts 61 and 62 (hereinafter referred to as “rotor axial direction”).

ここで、本実施形態では、イオン交換膜71の表面積を多くするべく、コーティング面が次のように工夫されている。   Here, in this embodiment, in order to increase the surface area of the ion exchange membrane 71, the coating surface is devised as follows.

先ず、ロータ42の外周面には、互いに平行な凹部81と凸部82とがロータ軸方向に繰り返すように溝が形成されている。同様に、ロータ43の外周面には、互いに平行な凹部91と凸部92とがロータ軸方向に繰り返すように溝が形成されている。凹部81、91及び凸部82,92は、いずれもロータ軸方向に直交する方向に延在している。換言すると、凹部81及び凸部82は、ロータ42の回転方向に沿ってロータ42の外周面を周方向に亘って形成され、凹部91及び凸部92は、ロータ43の回転方向に沿ってロータ43の外周面を周方向に亘って形成されている。凹部81が凸部92に非接触でかみ合い且つ凹部91が凸部91に非接触でかみ合っており、この状態を維持しながらロータ42,43が回転するようになっている。   First, a groove is formed on the outer peripheral surface of the rotor 42 so that a concave portion 81 and a convex portion 82 that are parallel to each other are repeated in the rotor axial direction. Similarly, a groove is formed on the outer peripheral surface of the rotor 43 such that a concave portion 91 and a convex portion 92 that are parallel to each other are repeated in the rotor axial direction. The concave portions 81 and 91 and the convex portions 82 and 92 all extend in a direction perpendicular to the rotor axial direction. In other words, the concave portion 81 and the convex portion 82 are formed along the outer circumferential surface of the rotor 42 along the rotational direction of the rotor 42, and the concave portion 91 and the convex portion 92 are formed along the rotational direction of the rotor 43. The outer peripheral surface of 43 is formed over the circumferential direction. The concave portion 81 meshes with the convex portion 92 in a non-contact manner, and the concave portion 91 meshes with the convex portion 91 in a non-contact manner, and the rotors 42 and 43 rotate while maintaining this state.

また、ケーシング41の内面55,56にも、ロータ42,43に対応して溝が形成されている。具体的には、内面55には、ロータ42の凹部81及び凸部82に非接触でかみ合うように、凸部101及び凹部102が形成されている。また、内面56には、ロータ43の凹部91及び凸部92に非接触でかみ合うように、凸部111及び凹部112が形成されている。凸部101及び凹部102は、内面55の一端から他端にかけてロータ42の回転方向に沿って形成され、凸部111及び凹部112は、内面56の一端から他端にかけてロータ43の回転方向に沿って形成されている。凹部81,91,102,112及び凸部82,92,101,111の断面形状は、任意であり、例えば、三角形又は台形である。   Grooves are also formed on the inner surfaces 55 and 56 of the casing 41 corresponding to the rotors 42 and 43. Specifically, a convex portion 101 and a concave portion 102 are formed on the inner surface 55 so as to mesh with the concave portion 81 and the convex portion 82 of the rotor 42 in a non-contact manner. The inner surface 56 is formed with a convex portion 111 and a concave portion 112 so as to mesh with the concave portion 91 and the convex portion 92 of the rotor 43 in a non-contact manner. The convex portion 101 and the concave portion 102 are formed along the rotational direction of the rotor 42 from one end to the other end of the inner surface 55, and the convex portion 111 and the concave portion 112 are along the rotational direction of the rotor 43 from one end to the other end of the inner surface 56. Is formed. The cross-sectional shape of the concave portions 81, 91, 102, 112 and the convex portions 82, 92, 101, 111 is arbitrary, and is, for example, a triangle or a trapezoid.

以上説明した本実施形態の水素ポンプ24によれば、ケーシング41の内面55,56及びロータ42,43にイオン交換膜71を被覆しているので、吸入した水素オフガス及び生成水に含まれる腐食生成イオンをイオン交換膜71で吸着することができる。これにより、内面55,56及びロータ42,43が腐食により劣化することを抑制できると共に、排気口52の下流側の循環路23や燃料電池2が腐食により劣化することを抑制できる。また、イオン交換樹脂をイオン交換膜71として水素ポンプ24内に設けているので、水素ポンプ24での水素オフガスの圧損が大きくなることなく、腐食生成イオンを吸着し除去することができる。   According to the hydrogen pump 24 of the present embodiment described above, since the ion exchange membrane 71 is coated on the inner surfaces 55 and 56 of the casing 41 and the rotors 42 and 43, corrosion generation contained in the sucked hydrogen off-gas and generated water. Ions can be adsorbed by the ion exchange membrane 71. Thereby, it can suppress that inner surface 55,56 and rotor 42,43 deteriorate by corrosion, and can suppress that the circulation path 23 and the fuel cell 2 of the downstream of the exhaust port 52 deteriorate by corrosion. Further, since the ion exchange resin is provided in the hydrogen pump 24 as the ion exchange membrane 71, the corrosion-generated ions can be adsorbed and removed without increasing the pressure loss of the hydrogen off gas in the hydrogen pump 24.

さらに、内面55,56及びロータ42,43の外周面に凹凸を形成しているので、これらを凹凸のない平坦面で形成する場合に比べて、イオン交換膜71の表面積を大きくすることができる。これにより、イオン交換膜71の総吸着イオン量を増やすことができ、水素ポンプ24及びその下流側の部材の寿命を延ばすことができる。また、内面55,56及びロータ42,43の外周面に形成した凹凸が、ロータ42,43の回転方向に沿って形成されているので、ロータ42,43での水素オフガス中の生成水の抵抗を下げることができ、水素ポンプ24の圧縮効率を上げることができる。   Furthermore, since the irregularities are formed on the outer peripheral surfaces of the inner surfaces 55 and 56 and the rotors 42 and 43, the surface area of the ion exchange membrane 71 can be increased compared to the case where these are formed on a flat surface without irregularities. . Thereby, the total amount of adsorbed ions of the ion exchange membrane 71 can be increased, and the lifetime of the hydrogen pump 24 and its downstream members can be extended. Moreover, since the unevenness | corrugations formed in the outer peripheral surface of the inner surfaces 55 and 56 and the rotors 42 and 43 are formed along the rotation direction of the rotors 42 and 43, the resistance of the generated water in the hydrogen off-gas in the rotors 42 and 43 The compression efficiency of the hydrogen pump 24 can be increased.

<第2実施形態>
次に、図4及び図5を参照して、本発明の第2実施形態に係る水素ポンプ120について相違点を中心に説明する。第1実施形態との相違点は、ロータ42,43に形成する凹凸の延在方向を変更したことである。なお、第1実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
Second Embodiment
Next, with reference to FIG.4 and FIG.5, it demonstrates centering around difference about the hydrogen pump 120 which concerns on 2nd Embodiment of this invention. The difference from the first embodiment is that the extending direction of the unevenness formed on the rotors 42 and 43 is changed. In addition, about the structure which is common in 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

ロータ42の凹部131と凸部132とは、互いにロータ軸方向に平行に延在し、且つ、ロータ42の周方向において交互に繰り返すようにその外周面に形成されている。同様に、ロータ43の凹部141と凸部142とは、互いにロータ軸方向に平行に延在し、且つ、ロータ43の周方向において交互に繰り返すようにその外周面に形成されている。   The concave portion 131 and the convex portion 132 of the rotor 42 extend in parallel with each other in the rotor axial direction, and are formed on the outer circumferential surface so as to repeat alternately in the circumferential direction of the rotor 42. Similarly, the concave portion 141 and the convex portion 142 of the rotor 43 extend in parallel with each other in the rotor axial direction, and are formed on the outer peripheral surface so as to repeat alternately in the circumferential direction of the rotor 43.

凹部131が凸部142に非接触でかみ合い且つ凹部141が凸部132に非接触でかみ合い、この状態を維持しながらロータ42,43が回転するようになっている。凹部131,141及び凸部132,142の断面形状は、任意であり、ここでは三角形となっている。本実施形態では、ケーシング41の内面には凹凸が形成されておらず、平坦な面となっている。イオン交換膜71は、ロータ42、43の外周面と、ケーシング41の内面(内面55,56、吸気側内面57及び排気側内面58の少なくとも一つ)とに被覆されている。なお、図4では、イオン交換膜71の位置を示すことを企図し、符号71の引き出し線を敢えて点線にしている。   The concave portion 131 meshes with the convex portion 142 in a non-contact manner, and the concave portion 141 meshes with the convex portion 132 in a non-contact manner, and the rotors 42 and 43 rotate while maintaining this state. The cross-sectional shapes of the concave portions 131 and 141 and the convex portions 132 and 142 are arbitrary, and are triangular here. In this embodiment, the inner surface of the casing 41 is not formed with irregularities, and is a flat surface. The ion exchange membrane 71 is coated on the outer peripheral surfaces of the rotors 42 and 43 and the inner surface of the casing 41 (at least one of the inner surfaces 55 and 56, the intake side inner surface 57 and the exhaust side inner surface 58). In FIG. 4, the position of the ion exchange membrane 71 is intended to be shown, and the lead-out line 71 is deliberately made a dotted line.

本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、吸入した水素オフガス及び生成水に含まれる腐食生成イオンをイオン交換膜71によって吸着することができ、水素ポンプ24及びその下流側の部材の寿命を延ばすことができる。また、ロータ42,43の外周面に凹凸を形成しているので、これらを凹凸のない平坦面で形成する場合に比べて、イオン交換膜71の表面積を大きくすることができる。   According to the present embodiment, as in the first embodiment, the corrosion-generated ions contained in the sucked-in hydrogen offgas and generated water can be adsorbed by the ion exchange membrane 71, and the hydrogen pump 24 and the downstream members thereof can be adsorbed. Life can be extended. Further, since the unevenness is formed on the outer peripheral surfaces of the rotors 42 and 43, the surface area of the ion exchange membrane 71 can be increased as compared with the case where these are formed on a flat surface without the unevenness.

ただし、ケーシング41の内面に凹凸を形成していないので、第1実施形態に比べると、イオン交換膜71の総吸着イオン量は低下する。もっとも、ロータ42,43の外周面に形成した凹凸が、ロータ42,43の回転方向に直交する方向に延在するので、第1実施形態のように凹凸が回転方向に沿った方向に延在する場合に比べると、水素ガスの昇圧性能を高めることができる。   However, since the concave and convex portions are not formed on the inner surface of the casing 41, the total amount of adsorbed ions of the ion exchange membrane 71 is reduced as compared with the first embodiment. However, since the unevenness formed on the outer peripheral surfaces of the rotors 42 and 43 extends in a direction perpendicular to the rotation direction of the rotors 42 and 43, the unevenness extends in the direction along the rotation direction as in the first embodiment. Compared to the case, the boosting performance of hydrogen gas can be improved.

以上説明した第1実施形態の水素ポンプ24と第2実施形態の水素ポンプ120とは、必要昇圧性能と必要寿命とを勘案して、燃料電池システム1にとって適したもの選択すればよい。   The hydrogen pump 24 according to the first embodiment and the hydrogen pump 120 according to the second embodiment described above may be selected to be suitable for the fuel cell system 1 in consideration of the required boosting performance and the required life.

水素ポンプ24は、ルーツ型以外の他の容積型で構成されてもよい。例えば、水素ポンプ24として、ベーン式又はネジ式といった回転式のものを用いてもよいし、往復式のものを用いてもよい。ベーン式の場合には、昇圧部材であるベーンの表面にイオン交換樹脂をコーティングし、その表面積を大きくするべく、第1実施形態又は第2実施形態のように表面に凹凸を形成するとよい。また、往復式の場合には、昇圧部材であるピストンの表面(端面)を同様にコーティングし、その表面に凹凸を形成するとよい。もちろん、水素ポンプ24は、容積型に限らずターボ式であってもよい。いずれの場合にも、水素オフガスの昇圧のために可動する昇圧部材について、水素オフガスが接触し得る面をコーティングするとよい。   The hydrogen pump 24 may be configured by a volume type other than the roots type. For example, as the hydrogen pump 24, a rotary type such as a vane type or a screw type may be used, or a reciprocating type may be used. In the case of the vane type, an ion exchange resin is coated on the surface of the vane that is a pressure increasing member, and irregularities are formed on the surface as in the first embodiment or the second embodiment in order to increase the surface area. In the case of the reciprocating type, the surface (end surface) of the piston that is the pressure increasing member may be coated in the same manner, and irregularities may be formed on the surface. Of course, the hydrogen pump 24 is not limited to a positive displacement type and may be a turbo type. In any case, it is preferable to coat the surface where the hydrogen off-gas can come into contact with the pressurizing member that moves to increase the pressure of the hydrogen off-gas.

また、水素ポンプ24を例に説明したが、水素ガス以外のガスを圧送するポンプであっても、上記した本実施形態の構造を適用することができる。腐食生成イオンを含むガスを取り扱うシステム、例えば、半導体製造プロセスにおけるシステムに対して、本発明のポンプの構造は有用である。   Further, although the hydrogen pump 24 has been described as an example, the structure of the present embodiment described above can be applied even to a pump that pumps a gas other than hydrogen gas. The pump structure of the present invention is useful for systems that handle gases containing corrosion-generating ions, such as systems in semiconductor manufacturing processes.

本発明の第1実施形態に係るポンプを適用した燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a pump according to a first embodiment of the present invention is applied. 本発明の第1実施形態に係るポンプの要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the pump which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係るポンプの要部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principal part of the pump which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るポンプの要部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principal part of the pump which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図4のV−Vにおける拡大図である。It is an enlarged view in VV of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム、 2:燃料電池、 23:循環路、 24:水素ポンプ、 41:ケーシング、 42,43:ロータ、 51:吸気口、 52:排気口、 53:ロータ室、 55,56:内面、 71:イオン交換膜、 81,91,102,112,131,141:凹部、 82,92,101,111,132,142:凸部、 120:水素ポンプ   1: Fuel cell system, 2: Fuel cell, 23: Circulation path, 24: Hydrogen pump, 41: Casing, 42, 43: Rotor, 51: Inlet, 52: Exhaust, 53: Rotor chamber, 55, 56: Inner surface, 71: Ion exchange membrane, 81, 91, 102, 112, 131, 141: Recess, 82, 92, 101, 111, 132, 142: Projection, 120: Hydrogen pump

Claims (12)

内部に吸気されたガスが外部へと吐出されるケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、前記ガスの昇圧のために可動する昇圧部材と、を備えたポンプにおいて、
前記ケーシングの内面及び前記昇圧部材の少なくとも一方は、前記ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている、ポンプ。
A casing from which the gas sucked inside is discharged to the outside;
A pump provided in the casing and movable for boosting the gas,
At least one of the inner surface of the casing and the pressure-increasing member is a pump in which an ion-exchange resin is coated on a surface that can contact the gas.
前記ケーシングの内面及び前記昇圧部材の両方とも、前記ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている、請求項1に記載のポンプ。   2. The pump according to claim 1, wherein both the inner surface of the casing and the pressure increasing member are coated with an ion exchange resin on a surface to which the gas can come into contact. 前記イオン交換樹脂をコーティングされた面には、凹凸が形成されている、請求項1又は2に記載のポンプ。   The pump according to claim 1 or 2, wherein irregularities are formed on the surface coated with the ion exchange resin. 前記昇圧部材は、前記ケーシング内に回転可能に設けられたルーツ型の一対のロータであり、
前記各ロータの外周面に、前記イオン交換樹脂をコーティングされている、請求項1に記載のポンプ。
The booster member is a pair of roots-type rotors rotatably provided in the casing,
The pump according to claim 1, wherein the outer peripheral surface of each rotor is coated with the ion exchange resin.
前記一対のロータの少なくとも一方の外周面には、溝が形成されている、請求項4に記載のポンプ。   The pump according to claim 4, wherein a groove is formed on an outer peripheral surface of at least one of the pair of rotors. 前記各ロータの外周面には、互いに平行な凹部と凸部とが繰り返すように溝が形成されており、
前記一対のロータは、一方のロータの凹部が他方のロータの凸部にかみ合いながら回転するように構成されている、請求項4に記載のポンプ。
Grooves are formed on the outer peripheral surface of each rotor so that concave portions and convex portions parallel to each other are repeated.
5. The pump according to claim 4, wherein the pair of rotors is configured to rotate while a concave portion of one rotor meshes with a convex portion of the other rotor.
前記凹部と前記凸部とは、前記各ロータの軸方向と直交する方向に延在している、請求項6に記載のポンプ。   The pump according to claim 6, wherein the concave portion and the convex portion extend in a direction orthogonal to the axial direction of each rotor. 前記ケーシングの内面には、前記各ロータの凹部及び凸部にかみ合うように、当該各ロータの軸方向と直交する方向に延在する溝が形成されている、請求項7に記載のポンプ。   The pump according to claim 7, wherein a groove extending in a direction orthogonal to the axial direction of each rotor is formed on an inner surface of the casing so as to engage with a concave portion and a convex portion of each rotor. 前記ケーシングの内面には、前記イオン交換樹脂がコーティングされている、請求項8に記載のポンプ。   The pump according to claim 8, wherein the inner surface of the casing is coated with the ion exchange resin. 前記凹部と前記凸部とは、前記各ロータの軸方向と平行に延在している、請求項6に記載のポンプ。   The pump according to claim 6, wherein the concave portion and the convex portion extend in parallel with the axial direction of each of the rotors. 請求項1ないし10のいずれか一項に記載のポンプと、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出路と、を備え、
前記排出路に前記ポンプが設けられている、燃料電池システム。
A pump according to any one of claims 1 to 10,
A fuel cell;
An exhaust path through which the gas discharged from the fuel cell flows,
A fuel cell system, wherein the pump is provided in the discharge path.
前記排出路は、前記燃料電池に水素ガスを循環させる流路であり、
前記ポンプは、前記燃料電池に水素ガスを圧送する、請求項11に記載の燃料電池システム。
The discharge path is a flow path for circulating hydrogen gas through the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 11, wherein the pump pumps hydrogen gas to the fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104481870A (en) * 2014-12-06 2015-04-01 无锡高卓流体设备有限公司 High-performance pump body of rotor pump

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