JP4830261B2 - 燃料電池システム用ガスポンプ - Google Patents

Description

本発明は、供給された改質用燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムに用いるガスポンプに関する。

燃料電池システムでは、ガスポンプで流量制御して供給された改質用燃料ガス（例えば天然ガス、ＬＰガスなどの炭化水素系の燃料ガス）と、純水を流量制御して水蒸発器に供給して生成した水蒸気とを混合して改質部に供給し改質ガスを生成している。そして、該改質ガスから一酸化炭素を低減して、いわゆる水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池に供給している。燃料電池は供給された改質ガス中の水素と空気中の酸素との化学反応によって発電する。

特許文献１には、電磁石による吸引力と復帰バネによる弾発力によって往復運動されるピストンをシリンダに嵌挿してシリンダの前部にポンプ室を画成し、ピストンの後退によりポンプ室に吸入弁を通ってガスを吸入し、ピストンの前進によりポンプ室から吐出弁を通ってガスを吐出するガスポンプが開示されている。
特開２００３−０２１０６１号公報（第２頁、図５） 特開平８−２２２２５３号公報 特開２００２−３０３１４３号公報

上述したガスポンプを、例えば燃料電池用システムの改質装置に改質用燃料ガスを供給するガスポンプとして使用した場合、ピストンが前進するときガスが吐出されるが、ピストンが後退するときはガスが吐出されないので、改質装置に供給される改質用燃料ガスの流量が、図６に示すように、間欠的になって大きく変化し均一に流れないので、改質ガスの生成量が変化し、燃料電池に供給される水素量が変化し効率よく発電することができなかった。さらに、ピストンの前進時にのみガスを間欠的に吐出するので、ポンプ効率が悪く消費電力が大きくなる不具合があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて脈動の少ない流量のガスを効率的に供給し、安定した発電を可能にするガスポンプを提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、水蒸気と改質用燃料ガスとから改質ガスを生成し、該改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムに用いるガスポンプにおいて、ハウジングの長手方向両端部に形成された一対のポンプ室と、前記一対のポンプ室にそれぞれ気密的に固定され前記長手方向と直角方向に移動して前記各ポンプ室の容積を増減させる各ダイヤフラムと、前記各ダイヤフラムの中心部にそれぞれ気密的に連結され前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の一端部に形成されたクランク室に配置された各駆動ロッドと、前記ハウジングに前記一対のポンプ室の間で固定され、長手方向両側に突出する各回転軸が相互の回転位相差が１８０度である両側のクランク機構を介して前記各駆動ロッドとそれぞれ連結されるモータと、前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の他端部に前記長手方向に穿設された吸入路と、前記ハウジングの前記長手方向両端部に前記各ポンプ室の他端側壁を挟んで形成され前記吸入路によって連通された各吸入弁室と、前記他端側壁に設けられ、前記各吸入弁室から前記各ポンプ室に向かう流れのみを許容する各吸入弁と、前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の他端部に前記長手方向に形成されガスが一旦対流される吐出滞留室と、前記ハウジングの前記長手方向両端部に前記各ポンプ室の前記他端側壁を挟んで形成され前記吐出滞留室によって連通された各吐出弁室と、前記他端側壁に設けられ、前記各ポンプ室から前記各吐出弁室に向かう流れのみを許容する各吐出弁と、前記吐出滞留室の長手方向中央部分に連通し、前記各ポンプ室から吐出されるガスに対して絞りとして作用するように前記ハウジングに前記一対のポンプ室の間の中央部で前記長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吐出ポートと、前記各吐出弁室から前記吐出ポートに圧力が直接伝播することを防止するために、前記吐出ポートの入口部分の両側に夫々設けられた一対の遮蔽板と、前記吸入路の長手方向中央部分に連通し、前記ハウジングに前記長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吸入ポートと、前記吸入ポートから吸入されたガスが長手方向両側の前記吸入弁室に向かって流れの方向を変えて分流するように、前記吸入ポートの開口部に対向して前記吸入路に形成された分流突起と、を備えることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、モータが起動され回転軸が回転されると、各駆動ロッドがクランク機構を介して往復動され、各ダイヤフラムが互いに１８０度の位相差で周期的に往復動され、各ポンプ室の容積が互いに１８０度の位相差で増減されるので、一のポンプ室の容積が増大してガスが吸入路から吸入弁を通ってポンプ室に流入されるとき、他のポンプ室の容積が減少してガスが吐出弁を通って吐出滞留室に吐出されることが連続的に繰返され、吐出滞留室には各ポンプ室から連続的にガスが供給されて一旦滞留され、吐出滞留室で合流して流量変動が緩和される。
吐出ポートが吐出滞留室の中央部でハウジングに吐出滞留室の軸線方向と直角方向に穿設されているので、各吐出弁室からのガス圧が吐出ポートから直接外部に伝達されることが抑制される。さらに、吐出ポートは一対のポンプ室から吐出されるガスに対して絞りとして作用するので、吐出滞留室から吐出ポートを通って送出されるガスの流量の脈動を一層抑制することができる。そして、各吐出弁室から伝播した圧力は、吐出ポートの入口部分の両側に夫々設けられた一対の遮蔽板に遮蔽され吐出ポートに直接伝播することが防止されるので、吐出ポートを通って送出されるガスの流量の脈動をさらに抑制することができる。
そして、吸入路には吸入ポートの開口部に対向して分流突起が形成されているので、吸入ポートから吸入されたガスは分流突起により両側の吸入弁室に向かってスムーズに流れの方向を変えて分流することができる。
これにより、例えば改質用燃料ガスを本ガスポンプにより改質部に供給すると、改質用燃料ガスの流量が連続的になって脈動が抑制され、改質ガスを連続的に生成することができ、燃料電池に供給される水素量が安定し効率よく発電することができる。また、吐出されるガスの流量の脈動が抑えられるので、流量を検出する場合、検出精度が向上する。

先ず、脈動を抑制した燃料電池システム用ガスポンプについて説明する。燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１１と燃料電池１１に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置１２を備えている。燃料電池１１の燃料極には、改質装置１２から改質ガスが供給され、燃料電池１１の空気極には、外部からの空気がエアポンプにより供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。

改質装置１２は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスを水素ガスに改質する改質部１３、水ポンプから供給された純水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器１５、改質部１３の下部に積層された冷却部１６、冷却部１６の下部に積層され改質部１３で生成され冷却部１６で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）１７、ＣＯシフト部１７に接続されＣＯシフト部１７から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して燃料電池１１に供給する一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ浄化部という。）１８から構成されている。

改質部１３は、触媒が充填された反応室１９と、反応室１９の上部および外周を包囲して設けられ反応室１９を加熱する加熱室２０と、ガスポンプ２２により送られた燃焼用燃料ガスにエアポンプにより送られた燃焼空気を混合して燃焼させ、加熱室２０に高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１から構成されている。ガスポンプ２２により圧送された改質用燃料ガスが水蒸発器１５により生成された水蒸気と混合され、冷却部１６で予加熱されて反応室１９に供給され、改質用燃料ガスと水蒸気が加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。

図２はガスポンプ２２の構成を示す図である。ガスポンプ２２は、ハウジング２３の軸線方向両端部に一対のポンプ室２４が形成されている。各ポンプ２４室の内側にはダイヤフラム２５が気密的に固定され、各ポンプ室２４の内側壁をなしている。各ダイヤフラム２５は、ハウジング２３に収容され軸線方向に移動して各ポンプ室２４の容積を増減させる可動体として機能する。ハウジング２３には、中央孔２６が一対のポンプ室２４間に形成され、中央孔２６内に配置された駆動ロッド２７の両端が各ダイヤフラム２５の中心部に夫々気密的に連結されている。駆動ロッド２７の中央部分には、永久磁石２８がＮ極、Ｓ極を軸線方向に整列して固定されている。中央孔２６内には、永久磁石２８の両極に対向して一対の電磁石２９が固定され、永久磁石２８の両極に夫々対向する各電磁石２９の磁極が同じＮ極又はＳ極に同時に交互に切替わるように各電磁石のコイルに流す電流の方向が切換え制御され、一対の電磁石２９から永久磁石２８に反対向きの磁力が交互に作用し、駆動ロッド２７が軸線方向に往復動され、各ダイヤフラム２５が１８０度の所定位相差で周期的に往復動される。

夫々のポンプ室４１に個別に対応して吸入弁室３０および吐出弁室３１が各ポンプ室２４の外側壁を挟んでハウジング２３の両端部に形成されている。各吸入弁室３０とポンプ室２４との間には、吸入弁室３０からポンプ室２４に向かう流れのみを許容する吸入弁３２が設けられ、各ポンプ室２４と吐出弁室３１との間には、ポンプ室２４から吐出弁室３１に向かう流れのみを許容する吐出弁３３が設けられている。各吸入弁室３０はハウジング２３に軸線方向に穿設された吸入路３４により連通され、吸入路３４の軸線方向中央部分には、ハウジング２３に軸線方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吸入ポート３５が連通している。吸入路３４には吸入ポート３５の開口部に対向して分流突起３９が形成され、吸入ポート３５から吸入されたガスは分流突起３９により両側の吸入弁室３０に向かってスムーズに流れの方向を変えて分流する。

各吐出弁室３１はハウジング２３に軸線方向に穿設された吐出路３６により連通され、吐出路３６の軸線方向中央部分には、一対のポンプ室２４の間の中央部でハウジング２３に軸線方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吐出ポート３７が連通されている。吐出路３６は、一対のポンプ室２４から吐出されるガス圧の脈動を吸収するために、容積を大きく形成され吐出滞留室となっている。吐出ポート３７は、一対のポンプ室２４から吐出されるガスに対して絞りとして作用する断面積に形成されている。吐出滞留室３４内の吐出ポート３７の入口部分の両側には、各吐出弁室３１から吐出ポート３７に向かって軸線方向に伝播した圧力を軸線方向と直角で吐出ポート３７と反対側に反射させ、圧力が吐出ポート３７に直接伝播することを防止するための、一対の遮蔽板３８が設けられている。

次に、上記ガスポンプの作動について説明する。改質部１３において、燃焼用燃料ガスおよび燃焼空気がバーナ２１に供給され、燃焼用燃料ガスが燃焼されて生成された燃焼ガスが加熱室２０を流れて反応室１９内の触媒を加熱する。ガスポンプ２２から送出された改質用燃料ガスと水蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて冷却部１６に送られ、改質部１３で改質された高温の改質ガスと熱交換して予加熱され、改質部１３の反応室１９に送られる。反応室１９内では、水蒸気と改質用燃料ガスが加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。改質部１３で生成された改質ガスはＣＯシフト部１７およびＣＯ浄化部１８で一酸化炭素ガスを低減されて燃料電池１１に供給される。

ガスポンプ２２では、永久磁石２８のＮ極、Ｓ極に夫々対向する一対の電磁石２９の各対向磁極が同時にＮ極となり、次に同時にＳ極となることを交互に繰返すように、各電磁石２９のコイルに通電される電流の方向が交互に切替え制御されるので、各電磁石２９の対向磁極がＳ極になると永久磁石２８はＮ極が対向磁極に吸引され、Ｓ極が反発されて図２の左方に移動され、反対に各対向磁極がＮ極になると永久磁石２８はＳ極が対向磁極に吸引され、Ｎ極が反発されて右方に移動される。これにより、駆動ロッド２７が往復動され、各ダイヤフラム２５が軸線方向に往復動され、一対のポンプ室２４の一方が膨張すると他方が収縮することを繰返す。膨張するポンプ室２４では、吐出弁３３が閉じ、吸入弁３２が開いて改質用燃料ガスが吸入弁室３０からポンプ室２４に吸入され、吸入弁室３０には吸入ポート３５、吸入路３４を通って改質用燃料ガスが補充される。収縮するポンプ室２４では、吸入弁３２が閉じ、吐出弁３３が開いて改質用燃料ガスがポンプ室２４から吐出弁室３１に吐出される。図３（イ）に示すように、駆動ロッド２７の往動時に一方のポンプ室２４から、復動時に他方のポンプ室２４から改質用燃料ガスが各吐出弁室３１に吐出され、吐出滞留室３６に連続的に供給される。一対のポンプ室２４から吐出された改質用燃料ガスは容積の大きい吐出滞留室３６に一旦滞留されるので、図３（ロ）に示すように、吐出ポート３７の絞り作用と相俟って一対のポンプ室２４から吐出された改質用燃料ガスのガス圧の脈動が吸収され、改質用燃料ガスの流量が平準化される。各ポンプ室２４から改質用燃料ガスが吐出されることにより各吐出弁室３１から伝播される圧力は各遮蔽板３８に遮蔽され、吐出ポート３７に直接伝播されないので、吐出ポート３７を通って改質部１３送出される改質用燃料ガスの流量の脈動は一層抑制される。

次に、本発明に係る燃料電池システム用ガスポンプの実施形態について図４，５に基づいて説明する。ハウジング４０の長手方向両端部には一対のポンプ室４１が形成され、各ポンプ室４１の下側にはダイヤフラム４２が気密的に固定され、各ポンプ室４１の下側壁をなしている。各ダイヤフラム４２は、ハウジング４０に収容され軸線方向に移動して各ポンプ室４１の容積を増減させる可動体として機能する。ハウジング４０には、各ダイヤフラム４２の下方にクランク室４３が形成され、両側のクランク室４３内に配置された駆動ロッド４４の各上端が各ダイヤフラム４２の中心部に気密的に連結されている。両側のクランク室４３の間にはモータ４５が固定され、モータ４５の長手方向両側に突出する各回転軸４６は両側クランク室４３内に延在し、各駆動ロッド４４と各クランク機構４７を介して夫々連結されている。各クランク機構４７の相互の回転位相差は１８０度であり、モータ４５の回転軸４６の回転がクランク機構４７により駆動ロッド４４の往復動に変換され、各ダイヤフラム４２が互いに１８０度の所定位相差で周期的に往復動される。

夫々のポンプ室４１に個別に対応して吸入弁室４８および吐出弁室４９が各ポンプ室４１の上側壁を挟んでハウジング２３の長手方向両端上部に形成されている。各吸入弁室４８とポンプ室４１との間には、吸入弁室４８からポンプ室４１に向かう流れのみを許容する吸入弁５０が設けられ、各ポンプ室４１と吐出弁室４９との間には、ポンプ室４１から吐出弁室４９に向かう流れのみを許容する吐出弁５１が設けられている。各吸入弁室４８はハウジング４０の上端部に長手方向に穿設された吸入路５２により連通され、吸入路５２の長手方向中央部分には、ハウジング４０に長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吸入ポート５３が連通している。吸入路５２には吸入ポート５３の開口部に対向して分流突起５４が形成され、吸入ポート５３から吸入されたガスは分流突起５４により両側の吸入弁室４８に向かってスムーズに流れの方向を変えて分流する。

各吐出弁室４９はハウジング４０に軸線方向に穿設された吐出路５５により連通され、吐出路５５の長手方向中央部分には、一対のポンプ室４１の間の中央部でハウジング４０に長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吐出ポート５６が連通されている。吐出路５５は、一対のポンプ室４１から吐出されるガス圧の脈動を吸収するために、容積を大きく形成され吐出滞留室となっている。吐出ポート５６は、一対のポンプ室４１から吐出されるガスに対して絞りとして作用する断面積に形成されている。吐出滞留室５５内の吐出ポート５６の入口部分の両側には、各吐出弁室４９から吐出ポート５６に向かって長手方向に伝播した圧力を長手方向と直角で吐出ポート５６と反対側に反射させ、圧力が吐出ポート５６に直接伝播することを防止するための、一対の遮蔽板５７が設けられている。

実施形態に係るガスポンプ５８では、モータ４５が起動され回転軸４６が回転されると、駆動ロッド４４がクランク機構４７を介して往復動され、各ダイヤフラム４２が１８０度の位相差で往復動され、一対のポンプ室４１の一方が膨張すると他方が収縮することを繰返す。膨張するポンプ室４１では、吐出弁５１が閉じ、吸入弁５２が開いて改質用燃料ガスが吸入弁室４８からポンプ室４１に吸入され、吸入弁室４８には吸入ポート５３、吸入路５２を通って改質用燃料ガスが補充される。収縮するポンプ室４１では、吸入弁５０が閉じ、吐出弁５１が開いて改質用燃料ガスがポンプ室４１から吐出弁室４９に吐出される。このとき、前述の脈動を抑制したガスポンプ２２と同様に吐出ポート５６を通って改質部１３送出される改質用燃料ガスの流量の脈動は抑制される。

上記実施形態では、本燃料電池システム用ガスポンプを、改質用燃料ガスを改質部１３に送出するガスポンプ２２に使用しているが、空気を燃料電池１１の空気極或いはバーナ２１に供給するエアポンプ、燃焼用燃料ガスをバーナ２１に供給するガスポンプ等に用いてもよい。

本発明の実施形態に係るガスポンプを備えた燃料電池システムの概要を示す概要図。 脈動を抑制した燃料電池システム用ガスポンプの断面図。 脈動を抑制した燃料電池システム用ガスポンプの吐出流量を示す図。 実施形態に係るガスポンプの断面図。 図４の５−５線に沿って切断した断面図。 従来のガスポンプの吐出流量を示す図。

符号の説明

１１…燃料電池 、１２…改質装置、１３…改質部、１５…水蒸発器、１６…冷却部、１７…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、１８…一酸化炭素選択酸化部（ＣＯ浄化部）、１９…反応室、２０…加熱室、２１…バーナ、２２，５８…ガスポンプ、２３，４０…ハウジング、２４，４１…ポンプ室、２５，４２…ダイヤフラム（可動体）、２６…中央孔、２７，４４…駆動ロッド、２８…永久磁石、２９…電磁石、３０，４８…吸入弁室、３１，４９…吐出弁室、３２，５０…吸入弁、３３，５１…吐出弁、３４，５２…吸入路、３５，５３…吸入ポート、３６，５５…吐出路（吐出滞留室）、３７，５６…吐出ポート、３８，５７…遮蔽板、４３…クランク室、４５…モータ、４７…クランク機構。

Claims (1)

1. 水蒸気と改質用燃料ガスとから改質ガスを生成し、該改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムに用いるガスポンプにおいて、
   ハウジングの長手方向両端部に形成された一対のポンプ室と、
   前記一対のポンプ室にそれぞれ気密的に固定され前記長手方向と直角方向に移動して前記各ポンプ室の容積を増減させる各ダイヤフラムと、
   前記各ダイヤフラムの中心部にそれぞれ気密的に連結され前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の一端部に形成されたクランク室に配置された各駆動ロッドと、
   前記ハウジングに前記一対のポンプ室の間で固定され、長手方向両側に突出する各回転軸が相互の回転位相差が１８０度である両側のクランク機構を介して前記各駆動ロッドとそれぞれ連結されるモータと、
   前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の他端部に前記長手方向に穿設された吸入路と、
   前記ハウジングの前記長手方向両端部に前記各ポンプ室の他端側壁を挟んで形成され前記吸入路によって連通された各吸入弁室と、
   前記他端側壁に設けられ、前記各吸入弁室から前記各ポンプ室に向かう流れのみを許容する各吸入弁と、
   前記ハウジングの前記各ポンプ室より前記直角方向の他端部に前記長手方向に形成されガスが一旦対流される吐出滞留室と、
   前記ハウジングの前記長手方向両端部に前記各ポンプ室の前記他端側壁を挟んで形成され前記吐出滞留室によって連通された各吐出弁室と、
   前記他端側壁に設けられ、前記各ポンプ室から前記各吐出弁室に向かう流れのみを許容する各吐出弁と、
   前記吐出滞留室の長手方向中央部分に連通し、前記各ポンプ室から吐出されるガスに対して絞りとして作用するように前記ハウジングに前記一対のポンプ室の間の中央部で前記長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吐出ポートと、
   前記各吐出弁室から前記吐出ポートに圧力が直接伝播することを防止するために、前記吐出ポートの入口部分の両側に夫々設けられた一対の遮蔽板と、
   前記吸入路の長手方向中央部分に連通し、前記ハウジングに前記長手方向と直角方向に穿設されて外部に開口する吸入ポートと、
   前記吸入ポートから吸入されたガスが長手方向両側の前記吸入弁室に向かって流れの方向を変えて分流するように、前記吸入ポートの開口部に対向して前記吸入路に形成された分流突起と、を備えることを特徴とする燃料電池システム用ガスポンプ。

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