JP2020136237A - 燃料電池システム及び水素循環ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】車両等への搭載性に優れるとともに、結露による不具合を防止できる燃料電池システム及び水素循環ポンプを提供する。
【解決手段】
本発明の燃料電池システムでは、水素再循環路８ａ、５ｂは、ハウジング内の合流部１０で水素流通路６ａ、５ｅ、５ｈに合流する。水素流通路６ａ、５ｅ、５ｈは、水素供給源２と合流部１０との間で分岐して合流部１０を迂回するバイパス路５ｇ、５ｉを有している。水素流通路６ａ、５ｅ、５ｈ又はバイパス路５ｇ、５ｉには、水素流通路６ａ、５ｅ、５ｈ及びバイパス路５ｇ、５ｉを流れる水素の流量を制御する開度制御弁７０、７５が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及び水素循環ポンプに関する。

特許文献１に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、スタックと、水素タンクと、水素循環ポンプと、水素再循環路と、水素流通路とを備えている。スタックは複数の燃料電池のセルが積層されて構成されている。水素タンクは水素供給源として水素を貯留している。水素再循環路は、スタックと水素循環ポンプとを接続し、スタックからの水素を含む排出ガスを再循環させる。水素流通路は、水素タンクとスタックとを接続してスタックに水素を供給する。水素循環ポンプは、水素再循環路の途中に接続される。

この燃料電池システムでは、水素タンク内の水素が水素流通路によってスタックに供給され、スタック内で大気中の酸素と水素との電気化学反応によって電気を生成する。また、排出ガスは、水素再循環路を介して水素循環ポンプに吸入され、ポンプ機構から吐出され、水素流通路に合流して再度スタックに供給される。こうして、この燃料電池システムでは、水素の無駄な消費を抑制している。

特開２０１４−２３２７０２号公報

配管の簡素化のため、水素流通路に水素再循環路を水素循環ポンプ内で合流させることが考えられる。しかし、排出ガスは、燃料電池の各セル内の電気化学反応が発熱反応であるため、水素再循環路以外の水素よりも高温であり、合流によって結露を生じ易い。その結果、燃料電池システムの停止時に水分がポンプ機構側に流入して低温時に凍結し、ポンプ機構の起動が損なわれるおそれがある。また、結露水量が多くなってスタックに水分が過剰に供給されると、水分過多になり、フラッディングと呼ばれる現象によって発電性能が低下するおそれもある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、車両等への搭載性に優れるとともに、結露による不具合を防止できる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池のスタックと、水素供給源と、前記水素供給源と前記スタックとを接続する水素流通路と、前記スタックと接続され、前記スタックからの水素を含む排出ガスを水素循環ポンプによって再循環させる水素再循環路とを備えた燃料電池システムであって、
前記水素循環ポンプは、ポンプ機構と、
前記ポンプ機構を駆動するモータ機構と、
前記ポンプ機構及び前記モータ機構を収容するハウジングとを有し、
前記水素再循環路は、前記ハウジング内の合流部で前記水素流通路に合流し、
前記水素流通路は、前記水素供給源と前記合流部との間で分岐して前記合流部を迂回するバイパス路を有し、
前記水素流通路又は前記バイパス路には、前記水素流通路及び前記バイパス路を流れる水素の流量を制御する開度制御弁が設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、水素循環ポンプのハウジング内の合流部で水素再循環路が水素流通路に合流する。このため、スタック、水素供給源及び水素循環ポンプを接続する配管が簡素化され、燃料電池システムを車両等へ好適に搭載できるようになる。

また、この燃料電池システムでは、水素流通路は、水素供給源と合流部との間で分岐して合流部を迂回するバイパス路を有し、水素流通路又はバイパス路に開度制御弁が設けられている。この開度制御弁が水素流通路及びバイパス路を流れる水素の流量を制御する。このため、合流部で合流する低温の水素の流量を増減できる。こうして、この水素循環ポンプでは、合流部で合流する低温の水素の流量を変更し、スタックに向かって吐出される水素が結露水を生じ難いようにすることができる。

その結果、燃料電池システムの停止時に合流部の結露水がポンプ機構側に流入し難くなるため、低温時における結露水の凍結が生じ難く、低温時のポンプ機構の起動性が向上する。また、合流部内の水分がスタックに供給され難くなるため、スタックにフラッディングが発生し難くなり、発電性能が向上する。

したがって、本発明の燃料電池システムは、車両等への搭載性に優れるとともに、結露による不具合を防止できる。

開度制御弁は、バイパス路に設けられていてもよく、水素流通路に設けられていてもよい。

バイパス路の少なくとも一部は、ハウジング内に形成されていることが好ましい。この場合、配管の簡素化を実現できる。開度制御弁もハウジング内に形成されていることが好ましい。この場合も配管の簡素化を実現できる。

開度制御弁は、水素流通路を流れる水素と、水素再循環路を流れる排出ガスとの少なくとも一方の温度情報に応じて開閉され得る。

合流部はポンプ機構の下流側であることが好ましい。この場合、合流部で合流する排出ガスがポンプ機構によってより高温にされるため、本発明の必要性が高くなる。

本発明は、本発明の燃料電池システムに適用される水素循環ポンプとしても成立する。

本発明の燃料電池システム及び水素循環ポンプは、車両等への搭載性に優れるとともに、結露による不具合を防止できる。

図１は、実施例１の水素循環ポンプの縦断面図である。 図２は、実施例１の水素循環ポンプの横断面図である。 図３は、実施例１の燃料電池システムの要部模式図である。 図４は、実施例２の燃料電池システムの要部模式図である。 図５は、実施例３の燃料電池システムの要部模式図である。 図６は、実施例４の燃料電池システムの要部模式図である。 図７は、実施例５の水素循環ポンプの縦断面図である。 図８は、実施例５の水素循環ポンプの横断面図である。 図９は、実施例５の燃料電池システムの要部模式図である。

以下、本発明を具体化した実施例１〜５を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
実施例１の燃料電池システムは図１に示す水素循環ポンプ１を備えている。この水素循環ポンプ１は、エンドハウジング３、ポンプハウジング５、センターハウジング７、モータハウジング９及びインバータカバー１３がボルト１５等によって接合されている。

エンドハウジング３とポンプハウジング５との間にはＯリング１７が設けられ、ポンプハウジング５とセンターハウジング７との間にはＯリング１９が設けられている。エンドハウジング３、ポンプハウジング５、センターハウジング７、モータハウジング９及びインバータカバー１３がハウジングに相当する。

図１〜３に示すように、ポンプハウジング５には吸入口５ａが形成され、エンドハウジング３には流入口５ｄ及び吐出口５ｆが形成されている。エンドハウジング３及びポンプハウジング５には吸入口５ａと連通する内部循環路５ｂが形成されており、ポンプハウジング５には内部循環路５ｂの途中でポンプ室５ｃが形成されている。

また、エンドハウジング３には内部流通路５ｅが形成されている。内部流通路５ｅは流入口５ｄと吐出口５ｆとを直線状に連通している。内部循環路５ｂは、エンドハウジング３において、内部流通路５ｅと合流部１０で合流している。内部循環路５ｂにおける、ポンプ室５ｃと合流部１０との間には、内部循環路５ｂ内を流れる排出ガスの温度を検知する温度センサ５ｋが設けられている。内部流通路５ｅにおける、合流部１０の上流側には、温度センサ５Ｌが設けられている。温度センサ５ｋ、５Ｌはコントローラ１６に接続されている。また、エンドハウジング３には、流入口５ｄと吐出口５ｆとを接続するバイパス路５ｇが形成されている。バイパス路５ｇは、内部流通路５ｅにおける合流部１０より上流側で分岐するとともに、合流部１０より下流側で内部流通路５ｅに接続されている。吸入口５ａ、流入口５ｄ及び吐出口５ｆは水素循環ポンプ１の外部に開口している。

図１に示すように、エンドハウジング３、ポンプハウジング５、センターハウジング７及びモータハウジング９には、同軸状に軸孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが形成され、これらは後述する第１回転軸３１が挿通される軸受装置４８、４９、５１、５５及び軸封装置４７、５３を介して第１軸孔２３を構成している。また、ポンプハウジング５及びセンターハウジング７には、同軸状に軸孔２５ａ、２５ｂが形成され、これらは後述する第２回転軸３３が軸受装置６３、６５及び軸封装置６１を介して挿通される第２軸孔２５を構成している。第１軸孔２３と第２軸孔２５とは平行に延びている。

ポンプハウジング５及びセンターハウジング７によりギヤ室２７が形成され、センターハウジング７及びモータハウジング９によりモータ室２９が形成されている。第１軸孔２３には第１回転軸３１が挿通され、第２軸孔２５には第２回転軸３３が挿通されている。第１回転軸３１と第２回転軸３３とは平行である。

ポンプ室５ｃ内では、図２に示すように、第１回転軸３１に第１ロータ３５が固定され、第２回転軸３３に第２ロータ３７が固定されている。第１、２ロータ３５、３７は、互いに噛み合う山歯及び谷歯を有する二葉型のものである。

図１に示すように、ギヤ室２７内では、第１回転軸３１に第１ギヤ３９が固定され、第２回転軸３３に第２ギヤ４１が固定されている。第１、２ギヤ３９、４１は互いに噛み合っている。モータ室２９内では、モータハウジング９にステータ４３が固定され、第１回転軸３１にモータロータ４５が固定されている。

エンドハウジング３には有底状の軸孔２３ａが形成され、軸孔２３ａと第１回転軸３１との間には軸受装置４８が設けられている。また、ポンプハウジング５には、ポンプ室５ｃとギヤ室２７との間には軸孔２３ｂが形成され、軸孔２３ｂと第１回転軸３１との間には、ポンプ室５ｃ側に位置する軸封装置４７と、ギヤ室２７側に位置する軸受装置４９とが設けられている。センターハウジング７には、ポンプ室５ｃとモータ室２９との間には軸孔２３ｃが形成され、軸孔２３ｃと第１回転軸３１との間には、ギヤ室２７側に位置する軸受装置５１と、モータ室２９側に位置する軸封装置５３とが設けられている。さらに、モータハウジング９には有底状の軸孔２３ｄが形成され、軸孔２３ｄと第１回転軸３１との間には軸受装置５５が設けられている。これら軸封装置４７、５３及び軸受装置４８、４９、５１、５５により、第１回転軸３１が流体の漏れを抑制された状態で回転可能となっている。

ポンプハウジング５では、ポンプ室５ｃとギヤ室２７との間に軸孔２５ａが形成され、軸孔２５ａと第２回転軸３３との間には、ポンプ室５ｃ側に位置する軸封装置６１と、ギヤ室２７側に位置する軸受装置６３とが設けられている。センターハウジング７には有底状の軸孔２５ｂが形成され、軸孔２５ｂと第２回転軸３３との間には、軸受装置６５が設けられている。これら軸封装置６１及び軸受装置６３、６５により、第２回転軸３３が流体の漏れを抑制された状態で回転可能となっている。

第１回転軸３１、第１ロータ３５、第２回転軸３３及び第２ロータ３７がポンプ機構Ｐを構成している。ポンプ機構Ｐは、水素を含む排出ガスを吸入口５ａ及び内部循環路５ｂからポンプ室５ｃ内に吸入し、ポンプ機構Ｐより下流側の内部循環路５ｂを経て合流部１０まで圧送する。内部循環路５ｂの途中にポンプ機構Ｐが配置されているため、合流部１０はポンプ機構Ｐの下流側である。

また、第１回転軸３１、モータロータ４５及びステータ４３がモータ機構Ｍを構成している。モータ機構Ｍはポンプ機構Ｐを駆動する。インバータカバー１３内には収容室１３ａが形成されている。収容室１３ａ内にはインバータＩが固定されている。インバータＩは本発明の駆動機構の例である。インバータＩはモータ機構Ｍを制御する。

エンドハウジング３には開度制御弁７０が設けられている。すなわち、エンドハウジング３にはバイパス路５ｇと直交する方向に延びる弁孔３ａが形成され、弁孔３ａ内にはニードル弁７１が往復動可能に設けられている。ニードル弁７１の奥端側では、固定鉄心７２及び電磁コイル７３がエンドハウジング３に固定されている。固定鉄心７２とニードル弁７１との間には、ニードル弁７１をバイパス路５ｇに向けて突出させる方向に付勢力を有するばね７４が設けられている。電磁コイル７３は、図３に示すように、コントローラ１６に接続され、コントローラ１６の出力信号によって励磁され、ニードル弁７１を固定鉄心７２に磁着できるようになっている。こうして、ニードル弁７１は、固定鉄心７２に磁着するか、ばね７４の付勢力によって固定鉄心７２から離間するかによって、先端側がバイパス路５ｇの連通面積、つまり開度を変更できるようになっている。

実施例１の水素循環ポンプ１は燃料電池システムを構成している。この燃料電池システムは、上記水素循環ポンプ１と、水素供給源としての水素タンク２と、スタック４と、酸化ガスを供給する圧縮機１２と、気液分離器１４とを備えている。水素タンク２は、水素を高圧ガスの状態で貯留している。スタック４は複数の燃料電池のセルが積層されて構成されている。

スタック４と気液分離器１４と水素循環ポンプ１の吸入口５ａとは水素再循環管８ａによって接続されている。水素タンク２と水素循環ポンプ１の流入口５ｄとは上流流通管６ａによって接続され、水素循環ポンプ１の吐出口５ｆとスタック４とは下流流通管６ｂによって接続されている。上流流通管６ａには、水素遮断弁６ｃと水素供給調整弁６ｄとが設けられている。水素遮断弁６ｃ及び水素供給調整弁６ｄはコントローラ１６に接続されている。上流流通管６ａ、内部流通路５ｅ及び下流流通管６ｂが水素流通路に相当する。水素再循環管８ａ及び内部循環路５ｂが水素再循環路に相当する。

上記のように構成された燃料電池システムでは、水素遮断弁６ｃが開くことにより、水素タンク２内の水素が上流流通管６ａによって水素循環ポンプ１に供給される。水素の供給量は水素供給調整弁６ｄによって調整される。水素循環ポンプ１では、水素が流入口５ｄから内部流通路５ｅやバイパス路５ｇを経て吐出口５ｆから下流流通管６ｂに吐出される。こうして、水素がスタック４に供給される。また、圧縮機１２によって酸化ガスがスタック４に供給される。スタック４内では、酸化ガス中の酸素と水素との電気化学反応によって電気を生成する。

また、スタック４からの水素を含む排出ガスは、水素再循環管８ａを経て気液分離器１４に供給され、気液分離器１４は反応生成水を外部へ排出する。反応生成水が除かれた排出ガスは、水素再循環管８ａを経て水素循環ポンプ１に移送される。水素循環ポンプ１では、排出ガスが吸入口５ａから内部循環路５ｂ上にあるポンプ室５ｃに吸入され、合流部１０で内部流通路５ｅに合流する。そして、吐出口５ｆから下流流通管６ｂに吐出される。こうして、この燃料電池システムでは、排出ガスを再循環させ、水素の無駄な消費を抑制している。

この間、この燃料電池システムでは、水素循環ポンプ１のハウジングに吸入口５ａ、内部循環路５ｂ、流入口５ｄ、内部流通路５ｅ、合流部１０及び吐出口５ｆが形成されているため、ハウジングにおいて、排出ガスが吸入口５ａからポンプ機構Ｐに送られるとともに、水素タンク２の水素が流入口５ｄから内部流通路５ｅに送られる。そして、内部循環路５ｂ内の排出ガスと内部流通路５ｅ内の水素とが合流部１０で合流し、吐出水素として吐出口５ｆからスタック４に吐出される。このため、スタック４、水素タンク２及び水素循環ポンプ１を接続する配管が簡素化され、燃料電池システムを車両等へ好適に搭載できるようになる。

温度センサ５ｋは、内部循環路５ｂを流れる合流前の排出ガスの温度を検知し、その情報をコントローラ１６に送信する。温度センサ５Ｌは、内部流通路５ｅを流れる水素タンク２からの水素の温度を検知し、その情報をコントローラ１６に送信する。合流部１０がポンプ機構Ｐの下流側にあるため、合流部１０に到達した排出ガスは、ポンプ機構Ｐによってより高温にされている。コントローラ１６は、外気温や運転条件等の情報を加味し、温度センサ５ｋ、５Ｌで検知した温度に応じて、バイパス路５ｇの開度を変更し、バイパス路５ｇの流量及び内部流通路５eの流量を調整する。例えば、内部流通路５ｅを流れる水素タンク２からの水素と、内部循環路５ｅを流れるスタック４からの排出ガスとの温度差が閾値より大きければ、結露しやすいと判断し、内部流通路５ｅの流量を小さくする。逆に、水素タンク２からの水素とスタック４からの排出ガスとの温度差が閾値より小さければ、内部流通路５ｅの流量を大きくする。

コントローラ１６が、外気温や運転条件等を加味して、水素タンク２からの水素とスタック４からの排出ガスとの温度差が、結露を生じない程度に小さいと判断すれば、開度制御弁７０に開度を小さくするための信号を送信する。この場合、ニードル弁７１がばね７４の付勢力によってバイパス路５ｇの開度を小さくする。このため、バイパス路５ｇを流れる水素の流量は小さくされる一方、水素タンク２から内部流通路５ｅを流れる水素の流量は大きくされる。

一方、水素タンク２からの水素とスタック４からの排出ガスとの温度差が結露を生じる程度に大きいと判断すれば、開度制御弁７０に開度を大きくするための信号を送信する。この場合、ニードル弁７１が固定鉄心７２に磁着してバイパス路５ｇの開度を大きくする。このため、水素タンク２からバイパス路５ｇへ流れる水素の流量が大きくされる一方、内部流通路５ｅを通過する水素の流量が小さくされるため、合流部１０における内部流通路５ｅ側の水素と内部循環路５ｂ側の排出ガスとの温度差が小さくなり、合流部１０における結露が防止される。

こうして、この燃料電池システムでは、水素再循環路と水素流通路とを合流させる配管を簡素化できる上、水素循環ポンプ１の合流部１０で合流する低温の水素の流量を変更し、スタック４に向かって吐出される水素が結露水を生じ難いようにすることができる。

その結果、燃料電池システムの停止時に合流部１０内の水分がポンプ機構Ｐ側に流入し難くなるため、低温時における結露水の凍結が生じ難く、低温時のポンプ機構Ｐの起動性が向上する。また、合流部１０内の水分がスタック４に供給され難くなるため、スタック４にフラッディングが発生し難くなり、発電性能が向上する。

したがって、この燃料電池システムは、車両等への搭載性に優れるとともに、結露による不具合を防止できる。

実施例１では、合流部１０を水素循環ポンプ１内に設けるのに加え、バイパス路５ｇを水素循環ポンプ１内に設けることにより、大幅に配管を簡素化できる。なお、バイパス路５ｇを水素循環ポンプ１内に設ける場合、水素タンク２から水素循環ポンプ１内を流れる水素の総量は変わらないものの、バイパス路５ｇを設けることで、低温の水素を合流部１０から遠ざけることとなり、合流部１０の結露を抑制することができる。バイパス路５ｇ付近の壁面で結露した場合でも、バイパス路５ｇと水素流通路５ｅとは、合流部１０より下流で合流するため、結露水のポンプ機構Ｐへの流入は抑制される。

（実施例２）
実施例２の燃料電池システムでは、図４に示すように、バイパス路５ｇ及び開度制御弁７０を水素循環ポンプ１ａのエンドハウジング３外に設けている。バイパス路５ｇは、上流流通管６ａと下流流通管６ｂとを接続している。バイパス路５ｇは、合流部１０の上流側である上流流通管６ａの途中で分岐するとともに、合流部１０の下流である下流流通管６ｂの途中に接続されている。温度センサとしては、内部循環路５ｂ側である温度センサ５ｋのみが設けられている。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムにおいても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例３）
実施例３の燃料電池システムでは、図５に示すように、バイパス路５ｇと上流流通管６ａとの間に三方弁からなる開度制御弁７５を設けている。実施例２と同様、バイパス路５ｇは、合流部１０の上流側である上流流通管６ａの途中で分岐するとともに、合流部１０の下流である下流流通管６ｂの途中に接続されている。バイパス路５ｇ及び開度制御弁７５は、水素循環ポンプ１ｂのエンドハウジング３内に設けてもよく、エンドハウジング３外に設けてよい。開度制御弁７５は、上流流通管６ａの開度と、バイパス路５ｇの開度とを同時に制御可能である。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムにおいても、実施例１、２と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例４）
実施例４の燃料電池システムでは、図６に示すように、内部流通路５ｅにおける合流部１０より上流に開度制御弁７０を設けている。バイパス路５ｇ及び開度制御弁７０は、水素循環ポンプ１ｃのエンドハウジング３内に設けてもよく、エンドハウジング３外に設けてよい。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムにおいても、実施例１〜３と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例５）
実施例５の燃料電池システムでは、図７に示すように、水素循環ポンプ１ｄがモータハウジング９とインバータカバー１３との間にクーリングハウジング１１を備えている。モータハウジング９とクーリングハウジング１１との間にはＯリング２１が設けられている。エンドハウジング３、ポンプハウジング５、センターハウジング７、モータハウジング９、クーリングハウジング１１及びインバータカバー１３がハウジングに相当する。

エンドハウジング３及びポンプハウジング５には、第１軸孔２３の一端側の軸孔２３ａと連通する連通路３ｂが形成されている。連通路３ｂは、図８にも示すように、合流部１０において、内部循環路５ｂと連通している。

図７に示すように、クーリングハウジング１１には、第１軸孔２３の他端側の軸孔２３ｄと連通する冷却室１１ａが形成されている。クーリングハウジング１１はインバータカバー１３側に隔壁１１ｅを有している。このため、内部流通路５ｈは、合流部１０の上流側で、隔壁１１ｅを介してインバータＩと熱交換するように設けられている。

クーリングハウジング１１には流入口１１ｂ及び流出口１１ｃが形成され、冷却室１１ａは流入口１１ｂ及び流出口１１ｃと連通している。流入口１１ｂは水素循環ポンプ１の外部に開口し、上流流通管６ａが接続されている。流出口１１ｃは第１回転軸３１内の軸路３１ａと連通している。クーリングハウジング１１には、冷却室１１ａ内に突出する複数のフィン１１ｄが形成されている。

モータハウジング９では、モータ室２９と冷却室１１ａとの間に軸孔２３ｄが形成され、軸孔２３ｄと第１回転軸３１との間には、軸受装置５５と、ＰＴＦＥ製のチップシール５９とが設けられている。また、エンドハウジング３には、連通路３ｂと連通する軸孔２３ａが形成され、軸孔２３ａと第１回転軸３１との間には、ＰＴＦＥ製のチップシール５７が設けられている。これらチップシール５７、５９、軸封装置４７、５３及び軸受装置４９、５１、５５により、第１回転軸３１が流体の漏れを抑制された状態で回転可能となっている。

第１回転軸３１には、軸心方向に延びる軸路３１ａが貫設されており、冷却室１１ａは軸路３１ａによって連通路３ｂと連通している。冷却室１１ａ内の水素は、チップシール５９、５７によって第１軸孔２３内に漏れず、軸路３１ａ、連通路３ｂを経て、吐出口５ｆから吐出するようになっている。つまり、流入口１１ｂ、冷却室１１ａ、流出口１１ｃ、軸路３１ａ、連通路３ｂ及び吐出口５ｆがハウジング１内における水素流通路である内部流通路５ｈを構成している。内部循環路５ｂは、エンドハウジング３において、内部流通路５ｈと合流部１０で合流している。

また、図７〜９に示すように、エンドハウジング３には、内部流通路５ｈにおける合流部１０の上流側で分岐するバイパス路５ｉが形成されている。バイパス路５ｉは、合流部１０と吐出口５ｆとの間で内部流通路５ｈに接続されている。エンドハウジング３には、バイパス路５ｉの開度を制御可能な開度制御弁７０が設けられている。他の構成は実施例１と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して構成の詳細な説明を省略する。

上記のように構成された燃料電池システムにおいても、本発明と同様の作用効果を奏することができる。

また、この燃料電池システムでは、水素タンク２内の水素は、上流流通管６ａを経て流入口１１ｂから冷却室１１ａに流入し、流出口１１ｃから軸路３１ａ、連通路３ｂを通過し、合流部１０で内部循環路５ｂと合流する。このため、内部循環路５ｂ内の排出ガスと内部流通路５ｈ内の水素とが合流部１０で合流し、吐出水素が吐出口５ｆから下流流通管６ｂを流れる。この間、水素タンク２から供給された低温の水素が冷却室１１ａ内で隔壁１１ｅを冷却し、隔壁１１ｅがインバータＩを冷却する。また、軸路３１ａ内の低温の水素による冷却によって、第１回転軸３１の摩擦熱による発熱やモータ機構Ｍの発熱を抑制し、水素循環ポンプ１の耐久性を向上させる。

したがって、この燃料電池システムは、本発明の作用効果の他、耐久性の低下等の懸念を低減することができる。

以上において、本発明を実施例１〜５に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜５に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、実施例１〜５では、合流部１０をポンプ機構Ｐの下流側としたが、これに限らず、ポンプ機構の上流側に合流部を位置させてもよい。

実施例１〜５のモータ機構Ｍとポンプ機構Ｐとの配置はこれらに限られない。例えば、実施例１において、モータ機構Ｍとポンプ機構Ｐとの配置を逆にしてもよい。

実施例１〜５では、水素供給源は水素タンク２に限られず、水素タンク以外であってもよい。

水素タンク２からの上流流通管６ａは、水素循環ポンプ１ａ〜１ｄを経由する経路と、直接スタック４に接続される経路とに分岐されていてもよい。

実施例１では、内部循環路５ｂ及び内部流通路５ｅに温度センサ５ｋ、５Ｌを設け、実施例２〜５では、内部循環路５ｂのみに温度センサ５ｋを設けている。温度センサは、これらに限られず、内部流通路５ｅのみに温度センサを設けたり、下流供給管６ｂに設けたりしてもよい。

実施例１において、内部流通路５ｅとポンプ機構Ｐとの間に、断熱材を介在させてもよい。断熱材を介在させることによって、結露の発生の抑制効果を一層高めることができる。

実施例１において、水素タンク２からの水素と、スタック４からの排出ガスとの温度差が閾値より小さければ、内部流通路５ｅの流量を大きくするとしたが、流量を維持してもよい。

本発明は、電気自動車等に利用可能である。

Ｐ…ポンプ機構
Ｍ…モータ機構
３、５、７、９、１１、１３…ハウジング（３…エンドハウジング、５…ポンプハウジング、７…センターハウジング、９…モータハウジング、１１…クーリングハウジング、１３…インバータカバー）
１ａ〜１ｄ…水素循環ポンプ
４…スタック
５ａ…吸入口
６ａ、５ｅ、５ｈ…水素流通路
８ａ、５ｂ…水素再循環路
２…水素供給源（水素タンク）
５ｄ、１１ｂ…流入口
１０…合流部
５ｆ…吐出口
５ｇ、５ｉ…バイパス路
７０、７５…開度制御弁
８ａ…水素再循環管
６ａ…上流流通管
５ｅ、５ｈ…内部流通路
５ｂ…内部循環路
６ｂ…下流流通管

Claims (7)

1. 燃料電池のスタックと、水素供給源と、前記水素供給源と前記スタックとを接続する水素流通路と、前記スタックと接続され、前記スタックからの水素を含む排出ガスを水素循環ポンプによって再循環させる水素再循環路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記水素循環ポンプは、ポンプ機構と、
   前記ポンプ機構を駆動するモータ機構と、
   前記ポンプ機構及び前記モータ機構を収容するハウジングとを有し、
   前記水素再循環路は、前記ハウジング内の合流部で前記水素流通路に合流し、
   前記水素流通路は、前記水素供給源と前記合流部との間で分岐して前記合流部を迂回するバイパス路を有し、
   前記水素流通路又は前記バイパス路には、前記水素流通路及び前記バイパス路を流れる水素の流量を制御する開度制御弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記開度制御弁は、前記バイパス路に設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記開度制御弁は、前記水素流通路に設けられている請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記バイパス路の少なくとも一部は、前記ハウジング内に形成される請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記開度制御弁は、前記水素流通路を流れる水素と、前記水素再循環路を流れる排出ガスとの少なくとも一方の温度情報に応じて開閉される請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記合流部は前記ポンプ機構の下流側である請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 請求項１乃至６に記載される燃料電池システムに適用される水素循環ポンプ。

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