JP2018091210A

JP2018091210A - Hydrogen pump

Info

Publication number: JP2018091210A
Application number: JP2016234792A
Authority: JP
Inventors: 啓榎本; Hiroshi Enomoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-06-14

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen pump which can inhibit heat radiation.SOLUTION: A hydrogen pump 24 is disposed in a circulation flow passage of a fuel battery and includes: a rotor part 60 in which rotors 42, 43 for supplying hydrogen are disposed; and a motor part 70 in which a motor 72 for driving the rotors 42, 43 is disposed. The rotor part 60 includes: a housing 41 which is formed with an opening and houses the rotors 42, 43; and a cover 75 covering the opening of the housing 41. A heat insulating material 80 is disposed at the cover 75.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、燃料電池の循環流路に配置された水素ポンプに関する。 The present invention relates to a hydrogen pump disposed in a circulation channel of a fuel cell.

一般に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池システムでは、水素ガスを燃料電池に供給する供給路と、燃料電池にて使用されなかった水素オフガスを再び供給路へと戻して燃料電池に再供給するための循環経路とが設けられている。また、この循環経路には、水素オフガスを搬送するための水素ポンプが設けられている。水素ポンプは、内部に配置された一対のロータの回転により、水素オフガスを搬送するようになっている。そして、水素ポンプにより供給路へと搬送された水素オフガスは、新たに供給された水素ガスに混合されることにより、燃料電池に再供給される。（例えば、特許文献１参照）。また、水素ポンプは、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱を運転時の熱源として利用している。 In general, in a fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, a supply path for supplying hydrogen gas to the fuel cell and a hydrogen off-gas that has not been used in the fuel cell are returned to the supply path to be returned to the fuel cell. And a circulation path for supply. The circulation path is provided with a hydrogen pump for transporting the hydrogen off gas. The hydrogen pump conveys hydrogen off-gas by rotation of a pair of rotors arranged inside. Then, the hydrogen off-gas transported to the supply path by the hydrogen pump is mixed with the newly supplied hydrogen gas and re-supplied to the fuel cell. (For example, refer to Patent Document 1). The hydrogen pump uses heat generated by rotation of the motor and heat generated by adiabatic compression of hydrogen off gas as a heat source during operation.

特開２００９−１２７５６０号公報JP 2009-127560 A

しかし、上記燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電に伴って生成された水は、水素オフガスと共に燃料電池から排出され、水素オフガスと共に水素ポンプ内に進入する。そして、例えば、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止されたとき、水素ポンプ内に水が残留していると、水が凍結してしまい、凍結によりロータの端面と水素ポンプの内壁面とが貼り付いてしまうことがあった。これにより、ロータの回転がロックしてしまうことがあった。 However, in the fuel cell system, the water generated as the fuel cell generates power is discharged from the fuel cell together with the hydrogen off gas, and enters the hydrogen pump together with the hydrogen off gas. For example, when the fuel cell system is stopped from the operating state under a low temperature environment such as below freezing point, if water remains in the hydrogen pump, the water freezes, and the end surface of the rotor and the hydrogen pump are frozen by freezing. The inner wall may stick. As a result, the rotation of the rotor may be locked.

ロータの端面と水素ポンプの内壁面とが貼り付いた場合は、燃料電池システムの運転再開時に、ロータの端面を水素ポンプの内壁面から引き剥がすために、水素ポンプを十分に昇温させる必要があるが、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムの運転を再開しても、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱よりも放熱の方が大きく、水素ポンプが十分に昇温できないことがあった。 If the end face of the rotor sticks to the inner wall surface of the hydrogen pump, it is necessary to sufficiently raise the temperature of the hydrogen pump in order to peel off the end face of the rotor from the inner wall face of the hydrogen pump when restarting the fuel cell system. However, even if the operation of the fuel cell system is restarted in a low temperature environment such as below freezing point, the heat release is greater than the heat generated by the rotation of the motor or the heat generated by adiabatic compression of the hydrogen offgas, and the hydrogen pump cannot be heated sufficiently. was there.

そこで、本発明は、放熱を抑制することができる水素ポンプを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the hydrogen pump which can suppress heat dissipation.

本発明の水素ポンプは、水素を供給するロータが配置されたロータ部と、前記ロータを駆動させるモータが配置されたモータ部と、を備え、前記ロータ部は、開口部が形成され、前記ロータを収容するハウジングと、前記ハウジングの前記開口部を覆うカバーと、を備え、前記カバーには、断熱材が配置されることを特徴とする。 A hydrogen pump according to the present invention includes a rotor portion in which a rotor for supplying hydrogen is disposed, and a motor portion in which a motor for driving the rotor is disposed. The rotor portion has an opening, and the rotor And a cover that covers the opening of the housing, and a heat insulating material is disposed on the cover.

このような構成によれば、水素ポンプの放熱を断熱材によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプを昇温させることができ、水素ポンプが、ロックすることを抑制できる。 According to such a configuration, the heat dissipation of the hydrogen pump can be suppressed by the heat insulating material. Therefore, even during operation below the freezing point, the temperature of the hydrogen pump can be raised by heat generated by rotation of the motor and heat generated by adiabatic compression of hydrogen off gas, and the hydrogen pump can be prevented from locking.

本発明にかかる水素ポンプは、放熱を抑制することができる。 The hydrogen pump according to the present invention can suppress heat dissipation.

第１実施形態における水素ポンプを適用した燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system to which the hydrogen pump in 1st Embodiment is applied. 第１実施形態における水素ポンプの断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pump in 1st Embodiment. 第１実施形態における水素ポンプの斜視図である。It is a perspective view of the hydrogen pump in a 1st embodiment. 第１実施形態におけるロータ部の斜視図である。It is a perspective view of the rotor part in 1st Embodiment. 第２実施形態における水素ポンプの断面図である。It is sectional drawing of the hydrogen pump in 2nd Embodiment.

＜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。 <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.

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。 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.

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Ａ１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。また、燃料電池２での電気化学反応によって生成された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、水素ポンプ２４内に進入する。 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 the hydrogen pump 24 to the junction A1 between the circulation path 23 and the supply path 22, merges with the hydrogen gas, and is supplied to the fuel gas channel 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). Further, the produced water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell 2 is discharged from the fuel cell 2 to the circulation path 23 together with the hydrogen off gas, and enters the hydrogen pump 24.

図２は、水素ポンプ２４の断面図であり、図３は、水素ポンプ２４の斜視図であり、図４は、ロータ部６０の斜視図である。 2 is a cross-sectional view of the hydrogen pump 24, FIG. 3 is a perspective view of the hydrogen pump 24, and FIG. 4 is a perspective view of the rotor unit 60.

水素ポンプ２４は、図２に示すように、水素を供給するロータ４２、４３が配置されたロータ部６０と、ロータ４２、４３を駆動させるモータ７２が配置されたモータ部７０と、断熱材８０と、を備えている。水素ポンプ２４は、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱を運転時の熱源として利用している。 As shown in FIG. 2, the hydrogen pump 24 includes a rotor unit 60 in which rotors 42 and 43 for supplying hydrogen, a motor unit 70 in which a motor 72 for driving the rotors 42 and 43 is disposed, and a heat insulating material 80. And. The hydrogen pump 24 uses heat generated by rotation of the motor 72 and heat generated by adiabatic compression of hydrogen off gas as a heat source during operation.

ロータ部６０は、ハウジング４１と、一対のロータ４２、４３と、カバー７５と、を備えている。 The rotor unit 60 includes a housing 41, a pair of rotors 42 and 43, and a cover 75.

ハウジング４１は、筒状であり、一対のロータ４２、４３を収容している。ハウジング４１には、モータ部７０と反対側において、図４に示すように、開口部５５が形成されている。また、ケーシング４１には、吸気口５１と、図示しない排気口と、が形成されている。吸気口５１と排気口とは、ロータ４２、４３を挟んで対向するように位置し、いずれも内部に連通している。水素オフガスは、吸気口５１から内部へと吸入され、各ロータ４２、４３とハウジング４１の内面との間で移動し、排気口から外部へと吐出される。 The housing 41 has a cylindrical shape and accommodates a pair of rotors 42 and 43. As shown in FIG. 4, an opening 55 is formed in the housing 41 on the side opposite to the motor unit 70. Further, the casing 41 is formed with an intake port 51 and an exhaust port (not shown). The intake port 51 and the exhaust port are positioned to face each other with the rotors 42 and 43 interposed therebetween, and both communicate with the inside. The hydrogen off-gas is sucked into the interior from the intake port 51, moves between the rotors 42 and 43 and the inner surface of the housing 41, and is discharged from the exhaust port to the outside.

一対のロータ４２、４３は、図４に示すように、ハウジング４１内において位相を約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。モータ７２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の回転力がギヤを介して回転軸６２に伝達され、ロータ４３が回転するようになっている。また、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。 As shown in FIG. 4, the pair of rotors 42 and 43 are arranged in a state where the phase is shifted by about 90 degrees in the housing 41. The rotors 42 and 43 are connected to rotating shafts 61 and 62, respectively, and are configured to be rotatable in opposite directions. The output of the motor 72 is input to the rotary shaft 61, the rotor 42 rotates, and the rotational force of the rotary shaft 61 is transmitted to the rotary shaft 62 via the gear, so that the rotor 43 rotates. The rotors 42 and 43 are synchronously rotated in opposite directions to increase the pressure of the hydrogen off gas.

カバー７５は、円形状であり、ハウジング４１に形成された開口部５５を覆うように配置される。カバー７５の外側には、断熱材８０が配置される。 The cover 75 has a circular shape and is disposed so as to cover the opening 55 formed in the housing 41. A heat insulating material 80 is disposed outside the cover 75.

モータ部７０は、ハウジング７１と、モータ７２と、を備えている。 The motor unit 70 includes a housing 71 and a motor 72.

ハウジング７１は、筒状であり、ロータ部６０のハウジング４１と連結しており、内部にモータ７２が配置されている。また、ハウジング７１の内周は、ロータ部６０のハウジング４１の内周よりも小さくなるように形成されている。 The housing 71 has a cylindrical shape, is connected to the housing 41 of the rotor unit 60, and a motor 72 is disposed therein. Further, the inner periphery of the housing 71 is formed to be smaller than the inner periphery of the housing 41 of the rotor portion 60.

モータ７２は、ロータ４２、４３を回転させるための駆動源であり、回転軸６１、６２に駆動を入力する。 The motor 72 is a drive source for rotating the rotors 42 and 43, and inputs the drive to the rotary shafts 61 and 62.

断熱材８０は、円形状であり、カバー７５上に配置されている。断熱材８０は、図２に示すように、カバー７５の厚さより厚くなっている。断熱材８０は、例えば、断熱性の高い樹脂などから形成することができる。また、断熱材８０の形状は、円形状に限定されず、例えば、矩形状であってもよい。 The heat insulating material 80 has a circular shape and is disposed on the cover 75. As shown in FIG. 2, the heat insulating material 80 is thicker than the cover 75. The heat insulating material 80 can be formed from, for example, a resin having high heat insulating properties. Moreover, the shape of the heat insulating material 80 is not limited to circular shape, For example, rectangular shape may be sufficient.

以上のような構成によれば、水素ポンプ２４の放熱を断熱材８０によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプ２４を昇温させることができ、水素ポンプ２４が、ロックすることを抑制できる。 According to the above configuration, the heat dissipation of the hydrogen pump 24 can be suppressed by the heat insulating material 80. Therefore, even during operation below freezing, the temperature of the hydrogen pump 24 can be raised by heat generated by the rotation of the motor 72 and heat generated by adiabatic compression of the hydrogen off gas, and the hydrogen pump 24 can be prevented from locking.

また、断熱材８０によって、カバー７５の剛性が上がるため、水素ポンプ２４に進入した生成水がロータ４２とロータ４３との間で押しつぶされ、回転軸６１、６２方向に押し出されるときに生じる衝撃波による騒音を抑制することができる。 Moreover, since the rigidity of the cover 75 is increased by the heat insulating material 80, the generated water that has entered the hydrogen pump 24 is crushed between the rotor 42 and the rotor 43, and is generated by a shock wave that is generated when the water is pushed in the directions of the rotation shafts 61 and 62. Noise can be suppressed.

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態における水素ポンプ２４の断面図である。第２実施形態における水素ポンプ２４は、ロータ部６０のハウジング４１の内周面を樹脂材料８１でコーティングしている。樹脂材料８１は、例えば、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イオン交換樹脂を用いるとよい。 Second Embodiment
FIG. 5 is a cross-sectional view of the hydrogen pump 24 in the second embodiment. In the hydrogen pump 24 according to the second embodiment, the inner peripheral surface of the housing 41 of the rotor unit 60 is coated with a resin material 81. As the resin material 81, for example, an ion exchange resin that adsorbs corrosion off ions in hydrogen offgas and generated water by ion exchange may be used.

以上のような構成によれば、水素ポンプ２４の放熱を樹脂材料８１によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプ２４を昇温させることができ、水素ポンプ２４が、ロックすることを抑制できる。 According to the above configuration, the heat radiation of the hydrogen pump 24 can be suppressed by the resin material 81. Therefore, even during operation below freezing, the temperature of the hydrogen pump 24 can be raised by heat generated by the rotation of the motor 72 and heat generated by adiabatic compression of the hydrogen off gas, and the hydrogen pump 24 can be prevented from locking.

また、樹脂材料８１としてイオン交換樹脂をコーティングすれば、生成水に含まれる腐食生成イオンによる水素ポンプ２４の腐食や燃料電池２の腐食を抑制することができる。 Further, if an ion exchange resin is coated as the resin material 81, corrosion of the hydrogen pump 24 and corrosion of the fuel cell 2 due to corrosion-generated ions contained in the generated water can be suppressed.

１燃料電池システム
２燃料電池
２ａ酸化ガス流路
２ｂ燃料ガス流路
３酸化ガス配管系
４燃料ガス配管系
２３循環路
２４水素ポンプ
４１ハウジング
４２ロータ
４３ロータ
５５開口部
６０ロータ部
７０モータ部
７２モータ
７５カバー
８０断熱材
８１樹脂材料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 2a Oxidation gas flow path 2b Fuel gas flow path 3 Oxidation gas piping system 4 Fuel gas piping system 23 Circulation path 24 Hydrogen pump 41 Housing 42 Rotor 43 Rotor 55 Opening part 60 Rotor part 70 Motor part 72 Motor 75 Cover 80 Heat insulating material 81 Resin material

Claims

A hydrogen pump arranged in the circulation flow path of the fuel cell,
The hydrogen pump is
A rotor portion in which a rotor for supplying hydrogen is disposed;
A motor unit in which a motor for driving the rotor is disposed;
With
The rotor part is
A housing in which an opening is formed and houses the rotor;
A cover covering the opening of the housing;
With
A hydrogen pump, wherein a heat insulating material is disposed on the cover.