JP4152722B2

JP4152722B2 - Fuel cell system using hydrogen pump

Info

Publication number: JP4152722B2
Application number: JP2002314147A
Authority: JP
Inventors: 竜也菅原; 丘里糟谷; 勝美斎藤; 寛士島貫
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004150298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池車両等に用いられる水素ポンプを用いた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスと酸化剤ガス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ので、この生成水を燃料電池から排出するため、水素ガス及び酸化剤ガスを発電に必要な消費量よりも多く供給している。したがって、燃料電池から排出される水素ガスの排出ガスには未反応ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のために水素の排出ガスを水素ポンプを用いて積極的に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。
例えば、上記システムに用いられる水素ポンプとしては、ダイアフラムによって区画された密閉空間の容積をダイアフラムを変位させることにより変化させて水素の吸入と吐出を行うダイアフラム型の水素ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４７３６３号公報
【０００４】
ところが、このようなダイアフラム型の水素ポンプを用いて上述した水素ガスを循環させるための容量を確保しようとすると、ポンプの大型化が避けられないという問題がある。
そのため、燃料電池システム、特に車載用の燃料電池システムの水素循環流路には、インペラをケーシング内で回転させる形式の遠心式ポンプを用いることが検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記遠心式ポンプを使用することで、ある程度の容量を確保して搭載スペースに大きな制限のある車載用燃料電池システムへの搭載が可能となるが、水素排出ガス中に含まれる水分が低温時に凝縮して氷点下で凍結するとインペラがロックしてしまう。
このようなインペラのロックはインペラとこれに近接するケーシング内壁との間に存在する水が凍結するために起こるが、これを防止するためにインペラとケーシング内壁との間のクリアランスを大きくすると、ポンプ内部での昇圧工程中に内部リークが発生してしまい、ポンプ性能が低下するという問題がある。
また、モータの起動トルクを上げることにより、起動トルクで凍結部分において両者を分離しポンプを起動できるようにすることも考えられるが、モータが大型化してしまう。
そこで、この発明は、ポンプ性能を低下させることなく、凍結による水素ポンプのロックを防止できる水素ポンプを用いた燃料電池システムを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）から排出される燃料ガスの排出ガスを再度燃料電池に供給する水素ポンプを用いた燃料電池システムにおいて、燃料ガスの排出ガスの環流通路（例えば、実施形態における水素オフガス循環流路７）にインペラ（例えば、実施形態におけるインペラ１４）の回転により水素ガスを送り出す水素ポンプ（例えば、実施形態における水素ポンプ２９）を設け、この水素ポンプのケーシング（例えば、実施形態におけるケーシング１２）の内側面（例えば、実施形態における内側面２０）とこれに対向するインペラの端面（例えば、実施形態における端面１９）の双方に溝（例えば、実施形態における溝２１，２２，２３、溝２５，２６，２７）を設け、これらの溝が互いに位置をずらして形成され、前記ケーシングの内面と前記インペラの表面に双方の溝を含み撥水加工（例えば、実施形態における撥水加工のための被膜Ｈ）を施したことを特徴とする。
このように構成することで、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる水が水素ポンプのインペラとケーシング内壁との間で凍結した場合でも、溝及び撥水加工により凍結解除力を低減してポンプ駆動時において低トルクで簡単にインペラとケーシングとを分離できる。
ここで、水素ポンプのケーシングの内側面とこれに対向するインペラの端面の双方に溝を設けたため、ケーシングの内側面のみならず、インペラ側においても、対向するケーシングの内側面との間の凍結可能面積を減少させることができ、かつ両溝が互いに位置をずらして形成されているため、インペラとケーシングの内側面との間において互いに近接して凍結可能性の高い部位を著しく減少させることができる。
ここで、請求項２に記載したように前記撥水加工は撥水材を添着したものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は車載用の燃料電池システムを示す概略図である。
燃料電池（ＦＣ）１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟持し更にセパレータで挟持したセルを複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解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、水が生成される。
【００１３】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧されて燃料電池１のカソード電極に供給され、反応後には燃料電池１から空気オフガスとして圧力制御弁３を介して排出される。
一方、高圧水素タンク（Ｈ２）４から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路５の途中に設けられた圧力制御弁６によって所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノード電極に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス循環流路（燃料ガスの排出ガスの環流通路）７に排出される。
【００１４】
水素オフガス循環流路７は、圧力制御弁６よりも下流の水素ガス供給流路５に接続され、水素オフガス循環流路７の途中には水素ポンプ２９と逆止弁９が設けられている。燃料電池１から排出された水素オフガスは、水素ポンプ２９で昇圧され、逆止弁９を通って水素ガス供給流路５に合流するようになっており、これにより水素オフガスは、高圧水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノード電極に供給される。ここで、図１に示すように水素オフガス循環流路７に例えばエゼクタ１０を更に追加して循環性能を高めてもよい。尚、１１は排出弁を示す。
【００１５】
次に、この発明の第１参考例の水素ポンプについて説明する。図２は水素ポンプの正断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
水素ポンプ８はいわゆる遠心式ポンプであり、ケーシング１２内のポンプ室１３の内部にインペラ（羽根車）１４を備えている。インペラ１４の回転軸１５は軸受け（支持部）１６を介してケーシング１２に回転自在に支持され、この回転軸１５が図示しないモータに接続されている。
ケーシング１２の外周部、この実施形態ではケーシング１２の下部には、水素オフガスをポンプ室１３内に導入する吸込部１７と、ポンプ室１３内で昇圧された水素オフガスを吐出する吐出部１８が設けられている。この吸込部１７及び吐出部１８が水素オフガス循環流路７に接続されている。
【００１６】
ここで、ケーシング１２の内壁のうち、インペラ１４の軸方向の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０には各々溝２１，２２，２３が形成されている。
各溝２１，２２，２３は環状で各々が回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に形成された環状溝で、溝２１、溝２２、溝２３の順に直径が大きくなっている。各溝２１，２２，２３は角断面形状に形成されているが、断面形状はこれに限定されない。
【００１７】
ここで、前記インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間にはクリアランスＣＬが形成され、ポンプ内部での昇圧工程中にリークが生じない程度の寸法（例えば、１００μｍ）に形成されている。ここで、図３の内周壁Ｎの領域に溝を形成しなかったのは水素ポンプ８の昇圧工程で圧力が抜けてしまうからである。
【００１８】
上記参考例によれば、燃料電池１の運転を停止して系内の温度が低下すると、水素オフガス循環流路７内の湿潤ガス中の水分が凝結したり、あるいは生成水が水素ポンプ８のケーシング１２の内壁やインペラ１４に付着した状態となる。この状態で再起動する場合に外気温が氷点下となっていると、上記凝結水等が凍結する場合がある。
【００１９】
ところが、この参考例ではインペラ１４の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０に各々溝２１，２２，２３を設けたことで、溝２１，２２，２３によりインペラ１４の端面１９に近接して対向するケーシング１２の内側面２０の凍結可能面積を減少させることができるため、インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間で凍結した凝結水等の凍結面積が小さくなる。
そのため、凝結水や生成水が凍結し難くなったり、仮に凍結した場合でもインペラ１４とケーシング１２との結合力が小さくなるため、水素ポンプ８を駆動した場合に凍結部分が簡単に分離して水素ポンプ８を駆動できる。
【００２０】
したがって、凍結によるインペラ１４のロックが起きないように、インペラ１４の端面１９とこれに対向するケーシング１２の内側面２０との間のクリアランスＣＬを大きくする必要なく、できる限りこのクリアランスＣＬを小さくできるため、ポンプ性能を高く維持したまま凍結により駆動不能となる不具合をなくすことができる。
また、前記溝２１，２２，２３がインペラ１４の回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に複数形成されることにより、水素ポンプ８内部での昇圧工程中に溝２１，２２，２３にガスが流れ込んでも、この溝２１，２２，２３は同心円状に流れインペラ１４の径方向には流れない。その結果、溝２１，２２，２３が内部リークの原因とはならずポンプ性能を低下させることはない。
【００２１】
次に、この発明の第２参考例に係る水素ポンプを図１及び図２の一部を援用し図４に基づいて説明する。尚、図２、図３と同一部分には同一符号を付して説明する。図４は図３に対応する水素ポンプの断面図である。
この水素ポンプ２４も図１に示す燃料電池システムに用いられる遠心式の水素ポンプであり、ケーシング１２内のポンプ室１３の内部にインペラ１４を備え、インペラ１４の回転軸１５は軸受け１６を介してケーシング１２に回転自在に支持され、この回転軸１５が図示しないモータに接続されている点、ケーシング１２の下部には、水素オフガスをポンプ室１３内に導入する吸込部１７と、ポンプ室１３内で昇圧された水素オフガスを吐出する吐出部１８が設けられ、これら吸込部１７及び吐出部１８が水素オフガス循環流路７に接続されている点等の基本的構造は第１参考例と同様である。
【００２２】
ここで、ケーシング１２の内壁のうち、インペラ１４の軸方向の端面１９に対向するケーシング１２の内側面２０，２０には各々溝２１，２２，２３が形成されている。各溝２１，２２，２３は環状で各々が回転軸１５の軸受け１６を中心にして同心円状に形成された環状溝で、溝２１、溝２２、溝２３の順に直径が大きくなっている。
【００２３】
また、上記溝２１，２２，２３に対応してインペラ１４の軸方向の端面１９，１９には、各々溝２５，２６，２７が設けられている。これらの溝２５、溝２６、溝２７は回転軸１５を中心にして同心円状に形成された環状溝であって、ケーシング１２の内側面２０の溝２１、溝２２、溝２３に対して互いに位置をずらして形成されている。具体的には、ケーシング１２の溝２１の内側に溝２５が、ケーシング１２の溝２１と溝２２との間の位置に溝２６が、ケーシング１２の溝２２と溝２３との間の位置に溝２７が各々形成されている。
【００２４】
上記第２参考例によれば、ケーシング１２の内側面２０のみならず、インペラ１４側においても、対向するケーシング１２の内側面２０との間の凍結可能面積を減少させることができる。よって、インペラ１４の端面１９とケーシング１２の内側面２０との間で凍結した凝結水等の凍結面積が更に小さくなり、凍結し難くなると共に凍結した場合でも結合力が小さくなるため、水素ポンプ２４を駆動可能とできる。
その結果、凍結する面積が少なくなった分だけインペラ１４とケーシング１２内側面２０との間のクリアランスＣＬを更に小さくすることができポンプ性能をより一層高く維持したまま、凍結防止を実現できる。
【００２５】
とりわけ、この参考例では、前記ケーシング１２の内側面２０の溝２１，２２，２３とインペラ１４の端面１９の溝２５，２６，２７とが互いに位置をずらして形成されていることで、インペラ１４とケーシング１２の内側面２０との間において互いに近接した凍結可能性のある部位を著しく減少させることができる点で有利である。
【００２６】
図５に示す第３参考例の水素ポンプ２８は、図２、図３の実施形態の水素ポンプ８において溝２１，２２，２３を含むケーシング１２内面及びインペラ１４の表面に撥水加工が施されたものである。
そして、図６がこの発明の第１実施形態の水素ポンプを示している。この第１実施形態の水素ポンプ２９は図４の第２参考例の水素ポンプ２４において溝２１，２２，２３を含むケーシング１２内面及び溝２５，２６，２７を含むインぺラ１４の表面に凍結解除力を低減するために撥水加工（太い実線で示す撥水材の添着による撥水性の被膜Ｈの形成や表面加工等）が施されたものである。尚、前述した各参考例と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
ここで、撥水加工としては、例えば、ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社製の超撥水材料「ＨＩＲＥＣ」を用いたり、テフロン（登録商標）コーティング等の撥水性被膜の被覆処理を採用することができる。
【００２７】
このように撥水加工を施すのは次の理由による。燃料電池１の運転を停止して凝結水等がケーシング１２内やインペラ１４表面に付着すると、撥水加工が施してある部分の水滴は付着し難く、付着したとしても表面張力で盛り上がり接触面積が少ない状態となる。そのため仮に付着した状態で凍結した場合でも凍結解除力が少なくて済むのである。
【００２８】
したがって、図５に示す参考例では、図２、図３に示した第１参考例の効果に加えて、更にケーシング１２とインペラ１４が凍結しても撥水加工している分だけ凍結解除力が小さくなるので、水素ポンプ２８を駆動してトルクが作用するとインペラ１４を容易に凍結ロック解除することができる。
また、このことは図６における第１実施形態でも同様であり、図４に示した第２参考例の効果に加え、更にケーシング１２とインペラ１４が凍結しても撥水加工している分だけ凍結解除力が小さくなるので、水素ポンプ２９を駆動してトルクが作用するとインペラ１４を容易に凍結ロック解除することができる。
【００３１】
したがって、上述したように溝２１，２２，２３及び溝２５，２６，２７を設け、これらに更に撥水加工を施した水素ポンプ２９を、燃料電池１から排出される燃料ガスの排出ガスを再度燃料電池１に供給する水素オフガス循環流路７に用いた燃料電池システムに用いることで、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる凝結水等が上記水素ポンプ２９のインペラ１４とケーシング１２内壁との間で凍結した場合でも、凍結解除力が低減するためポンプ駆動時において簡単にインペラ１４とケーシング１２とを分離できる。
よって、燃料電池１を低温起動する際でも上記水素ポンプの確実な駆動を確保して燃料電池システムを駆動することができる。
【００３２】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、ケーシング１２の内側面２０の溝２１，２２，２３、インペラ１４の端面１９の溝２５，２６，２７は径方向に延びるものでなければ環状である必要はなく凹部（長さのない溝）であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１、２に記載した発明によれば、ケーシングの内側面のみならず、インペラ側においても、対向するケーシングの内側面との間の凍結可能面積を減少させることができるため、インペラの端面とケーシングの内側面との間で凍結した凝結水等の凍結面積が更に小さくなり、凍結し難くなると共に凍結した場合でも結合力が小さくなるため、ポンプを駆動可能とできる効果がある。
したがって、凍結する面積が少なくなった分だけインペラとケーシング内側面との間のクリアランスを更に小さくすることができポンプ性能をより一層高く維持したまま、凍結防止を実現できる。
また、インペラとケーシング内側面の各溝が互いに位置をずらして形成されているため、インペラとケーシングの内側面との間において互いに近接して凍結可能性の高い部位を著しく減少させることができ、確実に凍結防止することができる効果がある。
したがって、運転停止時において、燃料ガスの排出ガス中に含まれる水分が凝結する等して水素ポンプのインペラとケーシング内壁との間で凍結した場合でも、溝及び撥水加工により凍結解除力を低減してポンプ駆動時において低トルクで簡単にインペラとケーシングとを分離できるため、燃料電池を低温起動する際でも水素ポンプを確実に駆動して燃料電池を駆動することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の車載用の燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】この発明の第１参考例の水素ポンプの正断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】第２参考例の図３に相当する断面図である。
【図５】第３参考例の図３に相当する断面図である。
【図６】第１実施形態の図３に相当する断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention relates to a fuel cell system using the hydrogen pump used in a fuel cell vehicle or the like.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen gas and oxidant gas, water is generated with power generation. Therefore, in order to discharge this generated water from the fuel cell, hydrogen gas and oxidant gas are consumed from the consumption required for power generation. We supply a lot. Therefore, the unreacted gas is contained in the exhaust gas of the hydrogen gas discharged from the fuel cell, and if it is released as it is, the fuel efficiency is deteriorated. In order to improve fuel efficiency, a fuel cell system has been proposed in which hydrogen exhaust gas is actively circulated using a hydrogen pump, mixed with fresh hydrogen gas, and supplied to the fuel cell again.
For example, as a hydrogen pump used in the above-described system, a diaphragm-type hydrogen pump that performs suction and discharge of hydrogen by changing the volume of a sealed space partitioned by the diaphragm by displacing the diaphragm is known (for example, , See Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-147363
However, when it is intended to secure the capacity for circulating the above-described hydrogen gas using such a diaphragm-type hydrogen pump, there is a problem that an increase in size of the pump is inevitable.
For this reason, it has been studied to use a centrifugal pump of a type in which an impeller is rotated in a casing for a hydrogen circulation channel of a fuel cell system, particularly an in-vehicle fuel cell system.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By using the above centrifugal pump, it is possible to secure a certain amount of capacity and install it in an in-vehicle fuel cell system with a large limitation on the mounting space, but the moisture contained in the hydrogen exhaust gas condenses at low temperatures. And if it freezes below freezing point, the impeller will lock.
Such impeller lock occurs because water existing between the impeller and the casing inner wall adjacent to the impeller freezes, and in order to prevent this, if the clearance between the impeller and the casing inner wall is increased, the pump There is a problem that an internal leak occurs during the internal boosting process, resulting in a decrease in pump performance.
Further, it is conceivable to increase the starting torque of the motor so that the pump can be started by separating both in the frozen portion with the starting torque, but the motor becomes large.
Therefore, the present invention provides a fuel cell system using a hydrogen pump that can prevent the hydrogen pump from being locked due to freezing without reducing the pump performance.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 uses a hydrogen pump that again supplies the fuel cell with the exhaust gas discharged from the fuel cell (for example, the fuel cell 1 in the embodiment). In a fuel cell system, a hydrogen pump (for example, an implementation) that feeds hydrogen gas to a circulation passage (for example, a hydrogen off-gas circulation passage 7 in the embodiment) of a fuel gas by rotation of an impeller (for example, the impeller 14 in the embodiment). A hydrogen pump 29 ) in the form, and an inner surface (for example, the inner surface 20 in the embodiment ) of the casing of the hydrogen pump (for example, the casing 12 in the embodiment) and an end surface of the impeller (for example, in the embodiment) Grooves (for example, grooves 21, 22, 23, grooves 25, 26, and 27), and these grooves are formed so as to be displaced from each other, and include both grooves on the inner surface of the casing and the surface of the impeller, for example, a water repellent finish (for example, the coating H for water repellent finish in the embodiment). It is characterized by having given.
With this configuration, even when the water contained in the exhaust gas of the fuel gas is frozen between the impeller of the hydrogen pump and the inner wall of the casing when the operation is stopped, the freezing release force is obtained by the groove and the water repellent process. The impeller and the casing can be easily separated with low torque when the pump is driven.
Here, since the grooves are provided on both the inner surface of the casing of the hydrogen pump and the end surface of the impeller facing this, freezing between not only the inner surface of the casing but also the inner surface of the facing casing not only on the impeller side. Since the possible area can be reduced and the grooves are formed so as to be shifted from each other, it is possible to remarkably reduce the area where the possibility of freezing is close between the impeller and the inner surface of the casing. it can.
Here, as described in claim 2, the water repellent finish may be provided with a water repellent material.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an in-vehicle fuel cell system.
The fuel cell (FC) 1 is configured by laminating a plurality of cells in which a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and sandwiched by separators. When hydrogen gas is supplied as fuel gas to the anode electrode and air containing oxygen is supplied as oxidant gas to the cathode electrode, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and become the cathode electrode. To generate electricity by generating an electrochemical reaction with oxygen at the cathode electrode, and water is generated.
[0013]
The air is boosted to a predetermined pressure by the compressor 2 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell 1. After the reaction, the air is discharged from the fuel cell 1 through the pressure control valve 3 as air off-gas.
On the other hand, the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank (H 2) 4 is reduced to a predetermined pressure by a pressure control valve 6 provided in the middle of the hydrogen gas supply flow path 5 and supplied to the anode electrode of the fuel cell 1. . The hydrogen gas supplied to the fuel cell 1 is used for power generation, and then discharged from the fuel cell 1 as a hydrogen off-gas to a hydrogen off-gas circulation passage (fuel gas exhaust gas recirculation passage) 7.
[0014]
The hydrogen off-gas circulation channel 7 is connected to the hydrogen gas supply channel 5 downstream from the pressure control valve 6, and a hydrogen pump 29 and a check valve 9 are provided in the middle of the hydrogen off-gas circulation channel 7. The hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 1 is increased in pressure by the hydrogen pump 29 and joined to the hydrogen gas supply channel 5 through the check valve 9, whereby the hydrogen off-gas is supplied to the high-pressure hydrogen tank 4. Is mixed with fresh hydrogen gas supplied from the fuel cell 1 and supplied again to the anode electrode of the fuel cell 1. Here, as shown in FIG. 1, for example, an ejector 10 may be further added to the hydrogen off-gas circulation passage 7 to improve the circulation performance. Reference numeral 11 denotes a discharge valve.
[0015]
Next, a hydrogen pump according to a first reference example of the present invention will be described. 2 is a front sectional view of the hydrogen pump, and FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
The hydrogen pump 8 is a so-called centrifugal pump, and includes an impeller (impeller) 14 inside a pump chamber 13 in the casing 12. A rotating shaft 15 of the impeller 14 is rotatably supported by the casing 12 via a bearing (support portion) 16, and the rotating shaft 15 is connected to a motor (not shown).
A suction part 17 for introducing hydrogen off-gas into the pump chamber 13 and a discharge part 18 for discharging the hydrogen off-gas boosted in the pump chamber 13 are provided at the outer periphery of the casing 12, in this embodiment in the lower part of the casing 12. It has been. The suction part 17 and the discharge part 18 are connected to the hydrogen off-gas circulation flow path 7.
[0016]
Here, of the inner wall of the casing 12, grooves 21, 22, and 23 are formed on the inner side surfaces 20 and 20 of the casing 12 that face the end surface 19 in the axial direction of the impeller 14, respectively.
Each of the grooves 21, 22, and 23 is an annular groove that is formed concentrically around the bearing 16 of the rotating shaft 15, and has a diameter that increases in the order of the groove 21, the groove 22, and the groove 23. Although each groove | channel 21, 22, 23 is formed in the square cross-sectional shape, cross-sectional shape is not limited to this.
[0017]
Here, a clearance CL is formed between the end surface 19 of the impeller 14 and the inner surface 20 of the casing 12, and the clearance CL is formed to a size (for example, 100 μm) that does not cause a leak during the pressure increasing process inside the pump. ing. Here, the reason why the groove is not formed in the region of the inner peripheral wall N in FIG. 3 is that the pressure is released in the step of boosting the hydrogen pump 8.
[0018]
According to the above reference example, when the operation of the fuel cell 1 is stopped and the temperature in the system decreases, moisture in the wet gas in the hydrogen off-gas circulation channel 7 condenses or the generated water is supplied to the hydrogen pump 8. It will be in the state which adhered to the inner wall and impeller 14 of the casing 12. FIG. If the outside air temperature is below freezing when restarting in this state, the condensed water or the like may freeze.
[0019]
However, in this reference example , the grooves 21, 22, and 23 are provided on the inner surfaces 20 and 20 of the casing 12 that face the end surface 19 of the impeller 14, respectively, so that the grooves 21, 22, and 23 approach the end surface 19 of the impeller 14. Thus, the freezing area of the inner side surface 20 of the facing casing 12 can be reduced, so that the freezing area of condensed water or the like frozen between the end surface 19 of the impeller 14 and the inner side surface 20 of the casing 12 is reduced.
Therefore, it is difficult for the condensed water and the generated water to freeze, or even if the condensed water is frozen, the coupling force between the impeller 14 and the casing 12 becomes small. Therefore, when the hydrogen pump 8 is driven, the frozen portion is easily separated and the hydrogen is separated. The pump 8 can be driven.
[0020]
Therefore, it is not necessary to increase the clearance CL between the end surface 19 of the impeller 14 and the inner surface 20 of the casing 12 facing the impeller 14 so that the impeller 14 is not locked due to freezing. For this reason, it is possible to eliminate the problem of being unable to drive due to freezing while maintaining high pump performance.
Further, a plurality of the grooves 21, 22, and 23 are formed concentrically around the bearing 16 of the rotating shaft 15 of the impeller 14, so that the grooves 21, 22, and 23 are formed in the pressure increase process inside the hydrogen pump 8. Even if the gas flows, the grooves 21, 22, and 23 flow concentrically and do not flow in the radial direction of the impeller 14. As a result, the grooves 21, 22, and 23 do not cause internal leakage and do not deteriorate the pump performance.
[0021]
Next, a hydrogen pump according to a second reference example of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals. FIG. 4 is a cross-sectional view of the hydrogen pump corresponding to FIG.
This hydrogen pump 24 is also a centrifugal hydrogen pump used in the fuel cell system shown in FIG. 1, and includes an impeller 14 inside a pump chamber 13 in the casing 12, and a rotating shaft 15 of the impeller 14 is connected via a bearing 16. The rotary shaft 15 is rotatably supported by the casing 12, and the rotary shaft 15 is connected to a motor (not shown). A suction portion 17 for introducing hydrogen off-gas into the pump chamber 13 and a pump chamber 13 are provided below the casing 12. The basic structure is the same as that of the first reference example in that a discharge part 18 for discharging the hydrogen off gas whose pressure has been increased is provided, and the suction part 17 and the discharge part 18 are connected to the hydrogen off gas circulation flow path 7. is there.
[0022]
Here, of the inner wall of the casing 12, grooves 21, 22, and 23 are formed on the inner side surfaces 20 and 20 of the casing 12 that face the end surface 19 in the axial direction of the impeller 14, respectively. Each of the grooves 21, 22, and 23 is an annular groove that is formed concentrically around the bearing 16 of the rotating shaft 15, and has a diameter that increases in the order of the groove 21, the groove 22, and the groove 23.
[0023]
Corresponding to the grooves 21, 22, 23, grooves 25, 26, 27 are provided on the end faces 19, 19 in the axial direction of the impeller 14, respectively. These grooves 25, 26, and 27 are annular grooves formed concentrically around the rotation shaft 15, and are positioned relative to the grooves 21, 22, and 23 on the inner surface 20 of the casing 12. It is formed by shifting. Specifically, a groove 25 is formed inside the groove 21 of the casing 12, a groove 26 is formed at a position between the groove 21 and the groove 22 of the casing 12, and a groove is formed at a position between the groove 22 and the groove 23 of the casing 12. 27 are formed.
[0024]
According to the second reference example , not only the inner surface 20 of the casing 12 but also the impeller 14 side can reduce the freezing area between the facing inner surface 20 of the casing 12. Therefore, the freezing area of condensed water or the like frozen between the end surface 19 of the impeller 14 and the inner side surface 20 of the casing 12 is further reduced, and it is difficult to freeze and the binding force is reduced even when frozen. Can be driven.
As a result, the clearance CL between the impeller 14 and the inner surface 20 of the casing 12 can be further reduced by the amount that the freezing area is reduced, and freezing prevention can be realized while maintaining the pump performance even higher.
[0025]
In particular, in this reference example , the grooves 21, 22, 23 of the inner surface 20 of the casing 12 and the grooves 25, 26, 27 of the end surface 19 of the impeller 14 are formed so as to be shifted from each other, so that the impeller 14 This is advantageous in that it is possible to significantly reduce the possibility of freezing in the vicinity of each other and the inner surface 20 of the casing 12.
[0026]
The hydrogen pump 28 of the third reference example shown in FIG. 5 is water repellent applied to the inner surface of the casing 12 including the grooves 21, 22 and 23 and the surface of the impeller 14 in the hydrogen pump 8 of the embodiment of FIGS. It is a thing.
FIG. 6 shows the hydrogen pump according to the first embodiment of the present invention. The hydrogen pump 29 of the first embodiment is frozen on the inner surface of the casing 12 including the grooves 21, 22 and 23 and the surface of the impeller 14 including the grooves 25, 26 and 27 in the hydrogen pump 24 of the second reference example of FIG. 4. In order to reduce the releasing force, water-repellent processing (formation of a water-repellent coating H or surface processing by attaching a water-repellent material indicated by a thick solid line) is performed. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as each reference example mentioned above, and description is abbreviate | omitted.
Here, as the water repellent treatment, for example, a super water repellent material “HIREC” manufactured by NTT Advanced Technology Co., Ltd., or a water repellent coating process such as Teflon (registered trademark) coating can be employed.
[0027]
The reason why the water repellent treatment is performed in this way is as follows. When the operation of the fuel cell 1 is stopped and condensed water or the like adheres to the inside of the casing 12 or the surface of the impeller 14, water droplets on the water repellent portion are difficult to adhere, and even if they adhere, the contact area rises due to surface tension. There will be fewer states. Therefore, even if it freezes in the attached state, the freezing release force is small.
[0028]
Therefore, in the reference example shown in FIG. 5, in addition to the effects of the first reference example shown in FIGS. 2 and 3, the freezing release force is further increased by the water repellent finish even if the casing 12 and the impeller 14 are frozen. Therefore, when the hydrogen pump 28 is driven and torque is applied, the impeller 14 can be easily unlocked.
This also applies to the first embodiment shown in FIG. 6. In addition to the effects of the second reference example shown in FIG. 4, the water repellent finish is applied even when the casing 12 and the impeller 14 are frozen. Since the freezing release force is reduced, the impeller 14 can be easily released from the freezing lock when the torque is applied by driving the hydrogen pump 29.
[0031]
Therefore, as described above, the grooves 21, 22, 23 and the grooves 25, 26, 27 are provided, and the hydrogen pump 29, which has been further water-repellent , is used again to discharge the fuel gas discharged from the fuel cell 1. When used in the fuel cell system used in the hydrogen off-gas circulation passage 7 to be supplied to the fuel cell 1, the condensed water and the like contained in the exhaust gas of the fuel gas are discharged from the impeller 14 and casing of the hydrogen pump 29 when the operation is stopped. Even when freezing between the inner wall and the inner wall, the impeller 14 and the casing 12 can be easily separated when the pump is driven because the freezing release force is reduced.
Therefore, even when the fuel cell 1 is started at a low temperature, the fuel cell system can be driven while ensuring the reliable driving of the hydrogen pump.
[0032]
In addition, this invention is not restricted to the said embodiment, For example, the grooves 21, 22, 23 of the inner surface 20 of the casing 12, and the grooves 25, 26, 27 of the end surface 19 of the impeller 14 extend in the radial direction. If not, it does not have to be annular and may be a recess (a groove having no length) .
[0033]
【The invention's effect】
As described above , according to the first and second aspects of the invention, not only the inner surface of the casing but also the impeller side can reduce the freezing area between the opposing inner surfaces of the casing. Therefore, the frozen area of condensed water, etc., frozen between the end surface of the impeller and the inner surface of the casing is further reduced, making it difficult to freeze and even when frozen, the coupling force is reduced, so the pump can be driven. There is an effect that can be done.
Therefore, the clearance between the impeller and the casing inner surface can be further reduced by the amount of the area to be frozen, and freezing prevention can be realized while maintaining the pump performance even higher.
In addition, since the grooves on the inner surface of the impeller and the casing are formed so as to be shifted from each other, it is possible to remarkably reduce the portion that is close to each other between the impeller and the inner surface of the casing and has a high possibility of freezing. There is an effect that can be surely prevented from freezing.
Therefore, when the operation is stopped, even if water contained in the exhaust gas of the fuel gas condenses and freezes between the impeller of the hydrogen pump and the inner wall of the casing, the freezing release force is reduced by the groove and water repellent processing. Since the impeller and the casing can be easily separated with low torque when the pump is driven, there is an effect that the fuel cell can be driven by reliably driving the hydrogen pump even when the fuel cell is started at a low temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an in-vehicle fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front sectional view of a hydrogen pump according to a first reference example of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of a second reference example .
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of a third reference example .
FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 of the first embodiment.

Claims

In a fuel cell system using a hydrogen pump for supplying fuel gas exhaust gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again, a hydrogen pump for sending the fuel gas by rotation of the impeller is provided in the circulation passage of the hydrogen gas exhaust gas, Grooves are formed on both the inner surface of the casing of the hydrogen pump and the end surface of the impeller facing the casing , and these grooves are formed so as to be shifted from each other, and both grooves are formed on the inner surface of the casing and the surface of the impeller. A fuel cell system using a hydrogen pump that is water repellent.

2. The fuel cell system using a hydrogen pump according to claim 1, wherein the water repellent finish is provided with a water repellent material.