JP2009250215A - 液体供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体供給装置内の水分が低温時に凝縮し、氷点下で凍結することで発生するロータと内壁との固着による起動性の低下を抑制することのできる流体供給装置を提供する。
【解決手段】流体の吸入及び排出を行うロータ１５を配設したポンプ室３１と、ロータ１５を駆動する電動モータ２１と、を有する流体供給装置（水素ポンプ１０）において、ロータ１５を駆動する電動モータ２１によって駆動される圧力発生手段（ギヤ室４０）と、ロータ側面とポンプ室３１の壁面との間に設けられ、ギヤ室４０からの油圧によりロータ側面に接するように配置された二つの移動隔壁３２と、を有し、モータ作動中は、ギヤ室４０からの圧力により二つの移動隔壁３２がロータ側面の両側に摺接し、モータが停止してギヤ室４０からの圧力が消失すると、移動隔壁３２がロータ側面から離れることで流体供給装置の起動性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される燃料電池システムの流体供給装置に関し、特に、燃料電池から排出される水素オフガスを再度燃料電池に供給するオフガス循環用の水素ポンプに関する。

一般に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池では、発電に伴い水が生成されると共に、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素ガスを含むオフガスを燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられている。水素循環経路には、水と水素ガスを分離する気液分離器とオフガスを循環させる水素ポンプとが設けられ、大部分の水は燃料電池から排出される。

また、車両は使用される温度条件が厳しく、特に氷点下となる低温時には、オフガス中に含まれる水分が凝縮及び凍結することで水素ポンプのロータが固着してしまうことがある。このような水素ポンプの固着は、ロータとポンプ室内壁との間の水が凍結することで発生する。これを防止するためにロータとポンプ室内壁とのクリアランスを大きくすると、ポンプ性能が低下する場合がある。

そこで、特許文献１には、低温環境下でのロータ間クリアランス減少による凍結固着を抑制するために、ケースとロータとの間にケースよりも熱膨張率の小さい調整部材を設けたものが開示されている。また、特許文献２には、インペラの端面またはケーシングの端面に溝を設け、インペラとケーシングの接触面積を低減させることで凍結による固着を防止するものが開示されている。

特開２００６−１１２３８９号公報 特開２００４−１５０２９８号公報

上述した特許文献１によると、温度低下に伴う軸間ピッチの縮小量が小さくなるため、低温環境下でのロータ間クリアランスの減少量が抑制され、低温環境下での起動性の低下を抑制することが可能となるが、高温時のロータ間クリアランスが拡大するなど、温度変化に配慮した設計が必要となる。

また、特許文献２には、溝によりインペラの端面に近接して対向するケーシング内面との間の凍結可能面積を減少させているが、逆に接触面積が減ったことによる気密性の維持に配慮する必要がある。

そこで、本発明では、水素ポンプ内の水分が低温時に凝縮し、氷点下で凍結することで発生するロータと内壁との固着による起動性の低下を抑制することのできる流体供給装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る流体供給装置は、流体の吸入及び排出を行うロータを配設したポンプ室と、ロータを駆動するモータと、を有する流体供給装置において、ロータを駆動するモータによって駆動される圧力発生手段と、ロータ側面とポンプ室の壁面との間に設けられ、圧力発生手段によりロータ側面に接するように配置された移動隔壁と、を有し、モータ作動中は、圧力発生手段からの圧力により移動隔壁がロータ側面に摺接し、モータが停止して圧力発生手段からの圧力が消失すると、移動隔壁がロータ側面から離れることを特徴とする。

また、本発明に係る流体供給装置において、圧力発生手段は、ロータを回転させるための駆動ギヤを用いたギヤポンプとし、ギヤポンプによって圧力を発生させることを特徴とする。

また、本発明に係る液体供給装置において、モータによって駆動されるロータは一対であり、圧力発生手段は、ロータを回転させるための一対の駆動ギヤを有するギヤポンプであることを特徴とする。

また、本発明に係る液体供給装置において、モータが停止して圧力発生手段からの圧力が消失することにより移動隔壁がロータ側面から離れてポンプ室の吸入側と排出側が連通することを特徴とする。

また、本発明に係る液体供給装置において、ロータを配設したポンプは、燃料電池から排出されるオフガス中に含まれる水素ガスを燃料電池に循環させる水素循環ポンプであることを特徴とする。

また、本発明に係る液体供給装置において、一対のロータを配設したポンプは、ルーツ型ポンプであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る液体供給装置において、移動隔壁と接する一対のロータの側面には撥水加工が施されていることを特徴とする。

本発明を用いることにより、水素ポンプ停止時において、水素ポンプ吸入側と排出側を連通させて凝縮した水を排出し易くすると共に、凝縮した水が氷点下で凍結することで発生する固着による起動性の低下を抑制するという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図３には燃料電池システム１００の構成が示されている。燃料電池スタック１０４は、例えば、水素ガスが供給されるアノード電極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給されるカソード電極と、の間を固体高分子電界質膜で仕切ったセルを積層して構成されている。水素タンク１０１に貯蔵された高圧の水素ガスは、バルブ１０２を開状態にすることで調圧器１０３に供給される。調圧器１０３は高圧の水素ガスを１気圧程度に調圧し、燃料電池スタック１０４に供給する。また、空気は、エアコンプレッサ１１２によって所定の圧力に加圧された後、バルブ１１１を介して燃料電池スタック１０４に供給される。

アノード電極に水素ガスが供給され、カソード電極に酸素が供給されると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電荷質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、反応水が生成される。アノード電極からは未反応の水素ガスと水とが排出され、気液分離器１０５において未反応の水素ガスと水とに分離され、定期的にバルブ１０６を開くことにより水が希釈器１０７へ排出される。同様にしてカソード電極から排出された空気はバルブ１１３を介して希釈器１０７へ排出される。希釈器１０７は、気液分離器１０５から排出された微量の水素ガスをカソード電極から排出された空気により希釈して大気に排出する。

アノード電極から排出された未反応の水素ガスは燃費向上のため、水素オフガス循環流路により燃料電池スタック１０４に再度供給される。水素オフガス循環流路には、水素ポンプ１０が設けられ、未反応の水素ガスが水素ポンプにより所定の圧力に加圧される。水素ポンプ１０により加圧された水素ガスは、調圧器１０３を通って供給される新鮮な水素ガスと混合され、再び燃料電池スタック１０４のアノード電極に供給される。次に、本実施形態における水素ポンプ１０について説明する。

図１は水素ポンプ１０の内部構造を示し、図２（Ａ）は図１の水素ポンプのＢＢ断面を示し、図２（Ｂ）はポンプ室３１のＡＡ断面を示している。水素ポンプ１０は、燃料電池システムに用いられるルーツ型ポンプであり、図１の水素ポンプ１０は、モータハウジング１１と、軸受ハウジング１２と、中間ハウジング１３とトップカバー１４と、を備え、ハウジング５０により水素ポンプ１０の外郭が形成されている。

モータハウジング１１内には、電動モータ２０が収容されているモータ室２１が形成されており、ギヤ室４０には駆動ギヤ４１と従動ギヤ４２と潤滑油とが収容されている。ギヤ室４０は、潤滑油を加圧する加圧ポンプを形成し、潤滑油を蓄えるリザーブ部と、リザーブ部から潤滑油を取り入れる取入口と、加圧した潤滑油を吐出する吐出口と、を有している。なお、モータ軸２２と駆動ギヤ４１とは複数のキー溝が設けれられた接続器４８により接続されている。

軸受ハウジング１２には、駆動ギヤ４１と従動ギヤ４２とに接続されている二つの支持軸２３，２４を支持する二つのラジアル軸受４７と、移動隔壁３２と、が収容され、中間ハウジング１３には、一対のロータ１５が収容され、トップカバー１４には、移動隔壁３２が収容されている。なお、それぞれの移動隔壁３２の内側には圧力室３３がそれぞれ設けられ、各圧力室３３は、加圧油路３７によりギヤ室４０の吐出口に接続されている。

図２のポンプ室３１には、一対のまゆ型のロータ１５が組み込まれており、図２の左側の吸入口からオフガスを吸入し、右側の排出口から排出する。図２のハッチングした領域は、トップカバー１４と中間ハウジング１３が接する領域であり、ポンプ室３１の側面を覆う小判型の移動隔壁３２が設けられている。小判型の移動隔壁３２にはシール部材３５と移動隔壁の移動をスムーズにするためのガイドピン３６が設けられ、また、４本のガイドピン３６は中間ハウジングのバネ３９を有する各ガイド穴３８にはまり込んでいる。

図２（Ｂ）に示すポンプ室３１のＡＡ断面は、モータ停止時の移動隔壁３２の状態を示している。電動モータ２０が停止すると、ギヤ室から発生する圧力が消失するため、バネ３９の戻り力によりロータ１５から移動隔壁３２が離れ、吸入口と排出口が導通することになる。この導通によりポンプ室３１内部に滞留する水が排出されると共に、凍結によるロータ壁面と移動隔壁３２との固着が防止できる。

図１の電動モータ２０が起動するとギヤ室４０の潤滑油が圧縮されて圧力が発生し、圧力室３３が加圧されることにより、二つの移動隔壁３２がロータ壁面に移動して吸入口と排出口の導通を解除し、漏れのない水素ポンプ１０として機能することになる。本実施形態では、ギヤ室４０で発生した圧力の漏れを防止するために、モータハウジング１１のモータ軸２２に設けられたシール部材３４と、軸受ハウジング１２のポンプ室側の支持軸に設けられたシール部材３４と、を有している。

ギヤ室から発生する圧力は、移動隔壁３２をロータ壁面に移動させて保持する程度の低圧力でとなっている。また、モータ回転数が上昇しても所定の圧力を越えないように、図示しないリリーフバルブが設けられている。このような構成により、電動モータ２０が低回転状態であっても、移動隔壁３２を所定の位置に移動させることが可能であり、電動モータ２０が高回転状態となった時でもメカニカルロスを増加させないことが可能である。

以上、上述したように、本実施形態に係る水素ポンプを使用することにより、水素ポンプ停止時において、水素ポンプ吸入側と排出側を連通させて凝縮した水を排出し易くすると共に、凝縮した水が氷点下で凍結することで発生する固着による起動性の低下を抑制することができる。また、本実施形態では、ロータの両側に移動隔壁を設けたが、ディスクブレーキのキャリパと同様の構造とするために、ロータの横方向の移動を可能にすることで片側だけに移動隔壁を設けることもできる。なお、本実施形態では、水素ポンプ内に圧力発生源を設けたが、これに限定するものではなく、外部の圧力源を利用してもよい。

本発明の実施形態に係る水素ポンプの内部構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るポンプ室の断面を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。

符号の説明

１０ 水素ポンプ、１１ モータハウジング、１２ 軸受ハウジング、１３ 中間ハウジング、１４ トップカバー、１５ ロータ、２０ 電動モータ、２１ モータ室、２２ モータ軸、２３，２４ 支持軸、３１ ポンプ室、３２ 移動隔壁、３３ 圧力室、３４，３５ シール部材、３６ ガイドピン、３７ 加圧油路、３８ ガイド穴、３９ バネ、４０ ギヤ室、４１ 駆動ギヤ、４２ 従動ギヤ、４７ ラジアル軸受、４８ 接続器、５０ ハウジング、１０１ 水素タンク、１０２，１０６，１１１，１１３ バルブ、１０３ 調圧器、１０４ 燃料電池スタック、１０５ 気液分離器、１０７ 希釈器、１１２ エアコンプレッサ。

Claims (7)

1. 流体の吸入及び排出を行うロータを配設したポンプ室と、ロータを駆動するモータと、を有する流体供給装置において、
   ロータを駆動するモータによって駆動される圧力発生手段と、
   ロータ側面とポンプ室の壁面との間に設けられ、圧力発生手段によりロータ側面に接するように配置された移動隔壁と、
   を有し、
   モータ作動中は、圧力発生手段からの圧力により移動隔壁がロータ側面に摺接し、モータが停止して圧力発生手段からの圧力が消失すると、移動隔壁がロータ側面から離れることを特徴とする流体供給装置。
2. 請求項１に記載の流体供給装置において、
   圧力発生手段は、ロータを回転させるための駆動ギヤを用いたギヤポンプとし、ギヤポンプによって圧力を発生させることを特徴とする液体供給装置。
3. 請求項１に記載の液体供給装置において、
   モータによって駆動されるロータは一対であり、圧力発生手段は、ロータを回転させるための一対の駆動ギヤを有するギヤポンプであることを特徴とする液体供給装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の液体供給装置において、
   モータが停止して圧力発生手段からの圧力が消失することにより移動隔壁がロータ側面から離れてポンプ室の吸入側と排出側が連通することを特徴とする流体供給装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の液体供給装置において、
   ロータを配設したポンプは、燃料電池から排出されるオフガス中に含まれる水素ガスを燃料電池に循環させる水素循環ポンプであることを特徴とする液体供給装置。
6. 請求項３に記載の液体供給装置において、
   一対のロータを配設したポンプは、ルーツ型ポンプであることを特徴とする液体供給装置。
7. 請求項３に記載の液体供給装置において、
   移動隔壁と接する一対のロータの側面には撥水加工が施されていることを特徴とする液体供給装置。

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