JP2010014092A

JP2010014092A - ポンプ装置および燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010014092A
Application number: JP2008177159A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-07
Also published as: JP5332354B2

Abstract

【課題】モータとポンプとを一体的に備えるポンプ装置において、簡易な構成でモータを冷却する。
【解決手段】ポンプ装置１００は、回転子１３３と固定子１３４とを有するモータ部１３０と、モータ部１３０に隣接して設けられ、該モータ部１３０によって駆動されることにより、モータ部１３０の運転温度よりも低い温度の流体を圧送するポンプ部１１０とを備えている。モータ部１３０は、回転子１３３の回転に伴って回転するファン１３８を内部に備えており、このファン１３８の回転により、ポンプ部１１０に向かって気流を生じさせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体を圧送するポンプ装置やこれを用いる燃料電池システムに関する。

水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池システムでは、発電後に排出されるアノードオフガスに、未反応の水素が含まれることが知られている。そのため、近年の燃料電池システムでは、アノードオフガスを再び燃料電池に供給することで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を、再度、電気化学反応に供することが行われている。

アノードオフガスを再び燃料電池に供給するためには、一般的に、モータとポンプとを一体的に備えるポンプ装置が利用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このようなポンプ装置では、モータの発熱をいかに冷却するかが問題となる。例えば、冷媒によって水冷したり、外気によって空冷することが考えられるが、ポンプ装置自体が大型化・複雑化してしまうおそれがある。

モータの冷却技術に関連し、例えば、特許文献２に記載の誘導電動機は、回転子の回転軸上に設けられた外部ファンによって筐体内に外気を取り入れ、これを、筐体内に設けられた内部ファンによって循環させることで自己の冷却を行っている。しかし、かかる特許文献２に記載の誘導電動機は、ポンプと一体的に形成されることが想定されていないため、このような複雑な機構を、上述したポンプ装置に直接適用することは困難である。

特開２００５−１６３７１３号公報特開２００５−８０３７５号公報特開昭６１−５４８４２号公報

このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、モータとポンプとを一体的に備えるポンプ装置において、簡易な構成でモータを冷却することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ポンプ装置であって、回転子と固定子とを有するモータ部と、前記モータ部に接して設けられ、該モータ部によって駆動されることにより、前記モータ部の運転温度よりも低い温度の流体を圧送するポンプ部とを備え、前記モータ部は、前記回転子の回転に伴って回転するファンを内部に備えており、該ファンの回転により、前記ポンプ部に向かう気流を生じさせるポンプ装置。

上記態様のポンプ装置では、ポンプ部内にはモータ部の運転温度よりも低い温度の流体が流れており、このポンプ部に向かって、モータ部内の気体がファンにより送風される。この結果、簡易な構成で、比較的低い温度の流体が流れるポンプ部と、発熱が生じるモータ部との熱交換を促進することができる。

［適用例２］適用例１に記載のポンプ装置であって、前記モータ部内の、前記ポンプ部が隣接する部分に、受熱機構が備えられているポンプ装置。このようなポンプ装置であれば、受熱機構に向かって気流を生じさせることで、熱交換をより促進させることができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のポンプ装置であって、前記ファンは、前記回転子の回転軸に備えられており、前記回転子には、前記回転軸に沿った方向に貫通孔が設けられているポンプ装置。このようなポンプ装置であれば、貫通孔を通じてファンにモータ部内の気体が吸引されるため、貫通孔を流れる気体の流速を高めることができる。この結果、熱交換をより促進させることができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のポンプ装置であって、前記ファンから該ファンの周囲への前記気流の流れを抑制するガード部を備えるポンプ装置。このようなポンプ装置であれば、ファンの周囲への気流の流れが抑制されるので、ポンプ部に向かって効率的に気流を生じさせることができる。

［適用例５］燃料電池システムであって、水素と酸素とが供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを該燃料電池に再度供給する循環流路とを備え、前記循環流路には、適用例１ないし適用例４のいずれかに記載のポンプ装置が設けられており、該ポンプ装置により前記アノードオフガスを前記燃料電池に圧送する燃料電池システム。燃料電池から排出されたアノードオフガスには、水素と酸素の反応によって生じた水分が含まれる。この水分がモータ部の発熱に伴ってポンプ部内において蒸発すると、気化熱が生じることになる。そのため、上述のポンプ装置を燃料電池システムの水素循環系に組み込めば、ポンプ部に接するモータ部を気化熱によって効果的に冷却することが可能になる。

［適用例６］適用例５に記載の燃料電池システムであって、前記ポンプ装置のモータ部には、水素が封入されている燃料電池システム。このように、モータ部に水素を充填すれば、モータ部内の熱伝導率を高めることが可能になる。また、モータ部に水素ガスを封入すれば、ポンプ部からモータ部内に水素を含むアノードオフガスが透過したとしても酸素等と反応してしまうことがない。また、モータ部に水素ガスが封入されていれば、ポンプ部内とモータ部内との間で水素濃度差が生じにくく、水素の透過量が低減することになる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の実施例としてのポンプ装置１００を備える燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。図示するように、燃料電池システム１０は、水素と酸素の反応を受けて発電する燃料電池１２や、高圧の水素ガスを貯蔵し、燃料電池１２に水素を供給する水素ボンベ１４、燃料電池１２に対して圧縮空気を供給するエアコンプレッサ１６、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池１２に供給するポンプ装置１００を備えている。

燃料電池１２は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とが配置された構成をとっている。各々の単セルのアノードに水素を含有する燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガスを供給することで電気化学反応が進行し、起電力が生じる。燃料電池１２によって発電された電力は、電動機等の負荷装置１８に供給される。

燃料電池１２のカソード側入口には、酸化ガス供給管２０が接続され、出口にはカソードオフガス排出管２２が接続されている。燃料電池１２のカソードには、酸化ガス供給管２０を通じて、エアコンプレッサ１６により圧縮された空気が酸化ガスとして供給される。この空気は、燃料電池１２内での電気化学反応に伴う発電の結果、酸素が消費され、カソードオフガスとして、カソードオフガス排出管２２を通じて排出される。

燃料電池１２のアノード側入口には、燃料ガス供給管３０が接続され、出口にはアノードオフガス排出管３２が接続されている。燃料電池１２のアノードには、燃料ガス供給管３０を通じて、水素ボンベ１４から燃料ガスとしての水素が供給される。この燃料ガスは、燃料電池１２内での電気化学反応に伴う発電の結果、水素が消費され、アノードオフガスとして、アノードオフガス排出管３２に排出される。

燃料ガス供給管３０には、シャットバルブ４０と調圧弁４２とが備えられている。シャットバルブ４０は、水素ボンベ１４からの燃料ガスの供給を遮断するためのバルブである。調圧弁４２は、水素ボンベ１４から供給される燃料ガスの圧力を、燃料電池１２による発電に適した圧力まで減圧するためのバルブである。

アノードオフガス排出管３２には、パージバルブ３４が備えられており、このパージバルブ３４の上流側（燃料電池側）には、循環管３６が接続されている。この循環管３６の他端は、燃料ガス供給管３０に接続されている。循環管３６には、ポンプ装置１００が備えられている。パージバルブ３４が閉弁されて、ポンプ装置１００が駆動されると、アノードオフガス排出管３２に排出されたアノードオフガスが、循環管３６を通って、燃料ガス供給管３０に供給される。このとき、ポンプ装置１００内を流れるアノードオフガスの温度は、燃料電池１２の運転温度（８０℃前後）にほぼ等しい。循環管３６には、燃料ガス供給管３０からアノードオフガス排出管３２に水素が流出しないように、逆止弁３８が備えられている。このように、アノードオフガスを循環させて、燃料電池１２に供給すれば、アノードオフガス中の残留水素を、再び、燃料電池１２による発電に供することができるので、効率的に水素を利用することができる。なお、ポンプ装置１００によってアノードオフガスを循環させている間には、パージバルブ３４が定期的に開弁され、アノードオフガスの排出が行われる。こうすることで、アノードオフガスに含まれる不純物（例えば、カソードからアノードに透過する窒素や水分）の濃度を低減することができる。

次に、アノードオフガスを循環させるポンプ装置１００の構成について説明する。
図２は、ポンプ装置１００の概略構成を示す断面図である。図示するように、ポンプ装置１００は、ポンプ部１１０とモータ部１３０とにより構成されている。ポンプ部１１０とモータ部１３０とは、それぞれの筐体（ポンプハウジング１１１、モータハウジング１３１）が接して組み付けられている。

ポンプ部１１０は、いわゆるルーツ式のポンプであり、略筒状をなすポンプハウジング１１１内にポンプ室１１２とギア室１１３とが配置されることで構成されている。ポンプ室１１２には、モータ部１３０から延伸し、このモータ部１３０によって駆動される回転軸１３２や、回転軸１３２と平行に設けられ、ポンプハウジング１１１に回転可能に支承された従動軸１１４、回転軸１３２に固定して取り付けられた駆動ロータ１１５、従動軸１１４に固定して取り付けられた従動ロータ１１６が備えられている。駆動ロータ１１５と従動ロータ１１６とは、回転軸１３２および従動軸１１４に直交する断面が双葉状（まゆ状）をなしており、一方の凹部に他方の凸部が非接触状態で嵌合するようにポンプハウジング１１１内に組み付けられている。

回転軸１３２の一端部と従動軸１１４の一端部とは、ポンプ室１１２を貫通して、ギア室１１３内に延伸している。ギア室１１３内では、回転軸１３２の端部に駆動ギア１１８が固定して取り付けられており、従動軸１１４の端部に従動ギア１１９が固定して取り付けられている。駆動ギア１１８と従動ギア１１９とは、互いに噛合している。そのため、モータ部１３０によって回転軸１３２が駆動されると、従動軸１１４は、回転軸１３２の回転方向と逆方向に回転する。

ポンプハウジング１１１には、回転軸１３２と従動軸１１４とを含む平面の中央に対向する位置に、アノードオフガスをポンプ室１１２内へ取り込むための吸入口１１７が設けられている。また、この吸入口１１７の逆側には、ポンプ部１１０により圧縮されたアノードオフガスが吐出される吐出口（不図示）が設けられている。モータ部１３０によって、回転軸１３２が駆動され、駆動ロータ１１５と従動ロータ１１６とが回転すると、これらのロータの動きによって、吸入口１１７からアノードオフガスが吸入され、ポンプ室１１２と各ロータ間の空間に閉じこめられて圧縮される。引き続きロータが回転されると、やがて、前記空間に閉じこめられたアノードオフガスが、吐出口から送出される。

次に、モータ部１３０の構成を説明する。モータ部１３０は、略筒状をなす密閉されたモータハウジング１３１内に、回転軸１３２や回転子１３３、固定子１３４が組み付けられることで構成されている。このモータハウジング１３１内には、モータ部１３０内の熱伝導率を高めるため、水素ガスが封入されている（以下、モータ部１３０内に封入された水素ガスを「封入ガス」という）。モータハウジング１３１の底部１３５には、回転軸１３２の一端が、回転可能に軸支される軸受け１３６が設けられている。回転軸１３２の他端は、モータハウジング１３１とポンプハウジング１１１とを貫く貫通孔１３７を通じて、ポンプ部１１０内に延伸している。

モータ部１３０内では、回転軸１３２に回転子１３３が固定して取り付けられている。また、回転子１３３の外周側には、固定子１３４がモータハウジング１３１に固定して取り付けられている。本実施例では、固定子１３４に巻線（図示せず）が巻き付けられている。また、回転子１３３の外周には、外周に沿って一定間隔に複数個の永久磁石（図示せず）が装着されている。外部回路によって、固定子１３４に巻き付けられた巻線に電流が通電されると、電磁誘導の働きによって、回転子１３３に固定された回転軸１３２が回転する。

本実施例のモータ部１３０には、回転軸１３２のポンプ部１１０側に、ファン１３８が取り付けられている。また、回転子１３３には、このファン１３８の周囲を取り囲むように、回転軸１３２を中心とした円筒状のガード部１３９が取り付けられている。なお、このガード部１３９は、回転子１３３ではなくモータハウジング１３１に固定されていてもよい。更に、図２や図３に示すように、本実施例の回転子１３３には、その内部に、回転軸１３２に沿った方向に、複数の貫通孔１４０が設けられている。なお、図３には、回転子１３３の断面を示している。加えて、モータハウジング１３１内のポンプ部１１０に接した部分には、所定の間隔を空けて、金属製の板状の受熱フィン１４１が固定して取り付けられている。なお、本実施例では、板状の受熱フィン１４１を受熱機構として設けることとしたが、受熱機構は、柱状や凹凸状など、モータハウジング１３１内のポンプ部１１０に接した部分の表面積が増す形状であればよい。

以上のように構成された本実施例のポンプ装置１００では、モータ部１３０によって回転軸１３２が回転されると、回転軸１３２に固定されたファン１３８も回転し、このファン１３８の回転によって、モータ部１３０内の封入ガスがポンプ部１１０に向かって送風される。そのため、定常運転温度が比較的高温（概ね１００℃ないし二百数十℃）になるモータ部１３０と、比較的低温（８０℃前後）のアノードオフガスが流れるポンプ部１１０との熱交換が促進されることになる。従って、モータ部１３０内にファン１３８を設けるという簡易な構成で、モータ部１３０の発熱を抑えることが可能になる。また、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスには、水素と酸素の反応によって生じた水分が含まれる。この水分がモータ部１３０の発熱に伴ってポンプ部１１０内において蒸発すると、モータ部１３０側から気化熱が奪われることになる。そのため、本実施例のポンプ装置１００を燃料電池システム１０の水素循環系に組み込めば、モータ部１３０を効果的に冷却することが可能になる。

また、本実施例では、回転子１３３内に貫通孔１４０を設けているため、この中を流れる封入ガスの流速を高めることができる。この結果、熱交換をより促進することができる。また、本実施例では、ファン１３８の周囲にガード部１３９を設けたため、回転軸１３２の垂直方向への気流の流れが規制される。そのため、封入ガスが、ポンプ部１１０側に効率よく送出されることになる。更に、本実施例では、モータ部１３０内のポンプ部１１０に接する部分に、ファン１３８から送出された封入ガスが当たる受熱フィン１４１を設けたため、熱交換の進行を一層、促進させることができる。加えて、本実施例では、モータ部１３０内に水素ガスを封入することとしたため、モータ部１３０内の熱伝導率を高めることが可能になる。また、モータ部１３０に水素ガスを封入したので、ポンプ部１１０から回転軸１３２の周囲の隙間を伝って、水素を含むアノードオフガスがモータ部１３０内に透過したとしても酸素等と反応してしまうことがない。また、モータ部１３０に水素ガスが封入されていれば、ポンプ部１１０内とモータ部１３０内との間で水素濃度差が生じにくく、水素の透過量が低減することになる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、ポンプ部１１０として、ルーツ式のポンプを採用したが、スクロール式、スクリュー式、遠心式、ピストン式など、モータによって駆動可能なポンプであれば、いずれの方式のポンプを採用してもよい。また、上記実施例のモータ部１３０は、固定子１３４に巻線が設けられている構成としたが、回転子１３３に巻線が設けられていてもよい。参考までに、図４には、巻線が設けられた回転子１３３の断面を示している。もちろん、モータの形式にも限定はなく、交流式、直流式、ブラシ式、ノンブラシ式、誘導機、ＳＲモータなど、種々のモータの形式を採用可能である。更に、上記実施例では、モータ部１３０内において、ファン１３８が回転軸１３２に固定されているが、ファン１３８は、所定のギアを介して回転軸１３２に噛合連結されていてもよい。また、上記実施例では、ファン１３８を回転させてポンプ部１１０側に向かう気流を生じさせることとしたが、ポンプ部１１０側からモータ部１３０内へ冷気を取り入れるように、上記実施例とは逆側の気流を生じさせることも可能である。

燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。ポンプ装置１００の概略構成を示す断面図である。実施例における回転子１３３の断面図である。巻線を有する回転子１３３の断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１２…燃料電池
１４…水素ボンベ
１６…エアコンプレッサ
１８…モータ
３４…パージバルブ
３６…循環管
３８…逆止弁
４０…シャットバルブ
４２…調圧弁
１００…ポンプ装置
１１０…ポンプ部
１１１…ポンプハウジング
１１２…ポンプ室
１１３…ギア室
１１４…従動軸
１１５…駆動ロータ
１１６…従動ロータ
１１７…吸入口
１１８…駆動ギア
１１９…従動ギア
１３０…モータ部
１３１…モータハウジング
１３２…回転軸
１３３…回転子
１３４…固定子
１３５…底部
１３６…軸受け
１３７…貫通孔
１３８…ファン
１３９…ガード部
１４０…貫通孔
１４１…受熱フィン

Claims

ポンプ装置であって、
回転子と固定子とを有するモータ部と、
前記モータ部に隣接して設けられ、該モータ部によって駆動されることにより、前記モータ部の運転温度よりも低い温度の流体を圧送するポンプ部とを備え、
前記モータ部は、前記回転子の回転に伴って回転するファンを内部に備えており、該ファンの回転により、前記ポンプ部に向かう気流を生じさせる
ポンプ装置。
請求項１に記載のポンプ装置であって、
前記モータ部内の、前記ポンプ部が隣接する部分に、受熱機構が備えられている
ポンプ装置。
請求項１または請求項２に記載のポンプ装置であって、
前記ファンは、前記回転子の回転軸に備えられており、
前記回転子には、前記回転軸に沿った方向に貫通孔が設けられている
ポンプ装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のポンプ装置であって、
前記ファンから該ファンの周囲への前記気流の流れを抑制するガード部を備える
ポンプ装置。
燃料電池システムであって、
水素と酸素とが供給される燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを該燃料電池に再度供給する循環流路とを備え、
前記循環流路には、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のポンプ装置が設けられており、該ポンプ装置により前記アノードオフガスを前記燃料電池に圧送する
燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ装置のモータ部には、水素が封入されている
燃料電池システム。