JP7000914B2

JP7000914B2 - 水素ポンプ

Info

Publication number: JP7000914B2
Application number: JP2018032306A
Authority: JP
Inventors: 功基田島; 和男山本; 基之木俣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019148190A

Description

本発明は、水素ポンプに関する。

特許文献１に開示されるように、水素ポンプは、燃料電池システムに組み込まれて利用されることがある。

特開２００８－００２４５３号公報

ところで、ハウジングと、当該ハウジングの内側に配置された一対のロータとを備える水素ポンプがある。このような水素ポンプも、燃料電池システムに組み込まれて利用される。

このような水素ポンプは、水蒸気を含むガスを燃料電池スタックから供給され、一対のロータを回転せることによってこのガスを圧縮する。さらに、水素ポンプは、この圧縮したガスを燃料電池スタックへ再び送り、循環させる。一対のロータをスムーズに回転させるため、ロータとハウジング内壁との間に所定のクリアランスが設けられている。水蒸気を含むガスが、このクリアランスから漏れることがあり、体積効率が低下することが有った。

また、水蒸気を含むガスが、水素ポンプ内で凝縮し、凝縮水が発生することがある。凝縮水が液滴化すると、一対のロータ同士が液滴を噛み込み、異音が発生することが有った。また、発生した液滴が凍結し、一対のロータの回転を妨げることあった。

本発明は、体積効率低下、及び凝縮水の液滴化を抑制するものとする。

本発明に係る水素ポンプは、
ハウジングと、当該ハウジングの内側に回転可能に配置された一対のロータとを備える燃料電池システムの水素ポンプであって、
前記ハウジングは、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料からなり、
前記ハウジングの内壁面は、前記一対のロータの表面と比較して高い親水性を有し、
前記ハウジングの内壁面の表面粗さは、前記一対のロータの表面の表面粗さと比較して大きい。

このような構成によれば、ハウジングは、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料からなるため、熱がハウジング内側から外側に移動しやすくなる。そのため、ハウジング内側のガスが凝縮し、凝縮水がハウジングの内壁面に発生しやすくなる。また、ハウジングの内壁面は、一対のロータの表面と比較して高い親水性を有するから、凝縮水がロータよりもハウジングの内壁面に留まり易くなる。また、ハウジングの内壁面は、一対のロータの表面と比較して表面粗さが大きいから、凝縮水がロータよりもハウジングの内壁面に留まり、液膜状になり易くなる。したがって、凝縮水がハウジングの内壁面において液膜化して、ロータとハウジング内壁との間の所定のクリアランスを埋めるため、水素ポンプの体積効率が低下することを抑制することができる。また、凝縮水がハウジングの内壁面において液膜化するから、液滴化し得る凝縮水の量が減少し、凝縮水の液滴化を抑制することができる。

本発明は、体積効率低下、及び凝縮水の液滴化を抑制することができる。

実施の形態１に係る水素ポンプを示す模式断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
図１を参照して実施の形態１に係る水素ポンプについて説明する。図１は、実施の形態１に係る水素ポンプを示す模式断面図である。なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図１に示すように、水素ポンプ１０は、ハウジング１１と、一対のロータ１３ａ、１３ｂとを備える。図１に示す水素ポンプ１０の一例は、ルーツ式と呼ばれる。

ハウジング１１は、ロータ室１２をその内側に備え、ロータ室１２は、一端にガス入口１６と、他端にガス出口１７とを備える。

ハウジング１１の内壁面は、一対のロータ１３ａ、１３ｂの表面と比較して高い親水性を有する。ハウジング１１の内壁面は、親水性コーティングが施されているとよい。親水性コーティングは、水、又は凝縮水の接触角度θが３０°以下となるような親水性を有するものであるとよい。

ハウジング１１の内壁面は、一対のロータ１３ａ、１３ｂの表面と比較して表面粗さが大きい。表面粗さは、様々なパラメータを用いて特定してもよく、例えば、算術平均粗さＲａ、二乗平均平方根高さＲｑを用いて特定することができる。ハウジング１１の内壁面は、凹凸構造を有するとよい。ハウジング１１の内壁面の表面粗さが大きいと、凝縮水がハウジング１１の内壁面により付着する傾向にある。

ハウジング１１は、所定の種類の材料からなり、当該材料は、熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるとよく、例えば、銅、銀、アルミニウム、又はアルミニウム合金である。当該材料は、良好な熱伝導率を有するため、熱が、ハウジング１１内のロータ室１２からハウジング１１の外部へ移動しやすい。

一対のロータ１３ａ、１３ｂは、ロータ室１２においてガス入口１６とガス出口１７との間に配置されている。一対のロータ１３ａ、１３ｂは、ロータシャフト１４ａ、１４ｂにそれぞれ回転可能に支持されている。一対のロータ１３ａ、１３ｂはいわゆる瓢箪形（中央部がくびれた楕円形状）であり、ロータ室１２において位相を約９０度ずらした状態で配置されている。一対のロータ１３ａ、１３ｂは、それぞれ、ロータシャフト１４ａ、１４ｂを介して、モータ等の動力源（図示略）から駆動力を与えられる。これによって、一対のロータ１３ａ、１３ｂは、互いに逆向きに回転するよう回転駆動する。ロータ１３ａ、１３ｂとハウジング１１の内壁との間には、所定の大きさのクリアランス１９が設けられている。クリアランス１９の大きさは、ロータ１３ａ、１３ｂのスムーズな回転や、水素ポンプ１０の体積効率の確保などを考慮して決定されるとよい。

一対のロータ１３ａ、１３ｂの表面は、撥水性コーティングが施されているとよい。ハウジング１１の内壁面は、一対のロータ１３ａ、１３ｂの表面と比較して、格段に高い親水性を有するためである。

（動作）
次に、図１を参照して水素ポンプ１０を燃料電池システムに組み込んで利用した場合の、水素ポンプ１０の動作について説明する。

燃料電池システム（図示略）は、燃料電池スタック（図示略）と、水素ポンプ１０とを備える。水素ポンプ１０と当該燃料電池スタックとは、水素を含む流体を互いに授受可能なように、水素循環経路上に配置されている。水素ポンプ１０は、当該燃料電池スタックから排出された水素ガスを当該燃料電池スタックに再供給するように循環させるためのポンプである。

当該燃料電池スタックは、例えば、多数の単セルが積層されたセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。

当該燃料電池スタックは、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスと、カソード側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスとの酸化還元反応により発電する。

当該燃料電池スタックにおいて、発電に使用されなかった水素ガス、及び酸化還元反応によって生成した水（生成水）は、気液分離器（図示略）等によって水素ガスと生成水とに分離される。当該生成水は、外部に排出される一方、当該水素ガスは、水素ポンプ１０に供給され、ガス入口１６からロータ室１２の内側に流入する。当該水素ガスの温度は、外気温と比較して高い傾向にあり、例えば、約６０℃である。

水素ポンプ１０は、ロータ１３ａとロータ１３ｂとが互いに逆方向に回転し、ロータ室１２内にて当該水素ガスを昇圧して、ガス出口１７を通過させて当該燃料電池スタックへ送り出す。

ここで、ハウジング１１は、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料からなるため、熱がハウジング１１内のロータ室１２からハウジング１１の外側に移動しやすくなる。そのため、ハウジング１１の内側のガスが凝縮し、凝縮水がハウジング１１の内壁面に発生しやすくなる。また、ハウジング１１の内壁面は、ロータ１３ａ、１３ｂの表面と比較して高い親水性を有するから、凝縮水がロータ１３ａ、１３ｂよりもハウジング１１の内壁面に留まり易くなる。また、ハウジング１１の内壁面は、ロータ１３ａ、１３ｂの表面と比較して表面粗さが大きいから、凝縮水がロータ１３ａ、１３ｂよりもハウジング１１の内壁面に留まり、液膜状になり易くなる。したがって、凝縮水がハウジング１１の内壁面において液膜化して、ロータ１３ａ、１３ｂとハウジング１１の内壁との間のクリアランス１９を埋めるため、ガス入口１６から流入した上記水素ガスが漏れ難くなる。よって、水素ポンプ１０の体積効率が低下することを抑制することができる。また、液膜化した凝縮水は、ロータ１３ａ、１３ｂの回転を妨げないので、ロータ１３ａ、１３ｂは、スムーズに回転することができる。また、凝縮水がハウジング１１の内壁面において液膜化するから、液滴化し得る凝縮水の量が減少し、凝縮水の液滴化を抑制することができる。

また、ハウジング１１の内側のガスにおける水蒸気の量が増大することがある。このような場合、液膜化した凝縮水が増大するため、水素ポンプ１０の体積効率が増大すると考えられる。すなわち、上記した水素ポンプ１０の体積効率低下をさらに抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０水素ポンプ
１１ハウジング１２ロータ室
１３ａ、１３ｂロータ１４ａ、１４ｂロータシャフト
１６ガス入口１７ガス出口

Claims

ハウジングと、当該ハウジングの内側に回転可能に配置された一対のロータとを備える燃料電池システムの水素ポンプであって、
前記ハウジングは、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料からなり、
前記ハウジングの内壁面は、前記一対のロータの表面と比較して高い親水性を有し、
前記ハウジングの内壁面の表面粗さは、前記一対のロータの表面の表面粗さと比較して大きい、
燃料電池システムの水素ポンプ。