ポンプおよび燃料電池システム
【課題】低温環境でのポンプ停止中に、ロータがポンプ室内で凍結しにくく、迅速に起動させることが可能なポンプを提供する。
【解決手段】本発明では、ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプにおいて、前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプが提供される。本発明のポンプは、低温環境下においてポンプ室内で残留水分の凝縮が生じても、毛細管現象によって、水が毛細管側に誘導されるため、ロータ表面に水分は残留しない。従って、水の凍結によりロータがポンプ室内で固着することを防止することができる。
【解決手段】本発明では、ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプにおいて、前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプが提供される。本発明のポンプは、低温環境下においてポンプ室内で残留水分の凝縮が生じても、毛細管現象によって、水が毛細管側に誘導されるため、ロータ表面に水分は残留しない。従って、水の凍結によりロータがポンプ室内で固着することを防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温下でも凍結の生じにくいポンプおよびそのようなポンプを使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給し、電池本体でこれらのガスの電気化学反応を利用して発電を行うシステムである。この電気化学反応によって電池本体では水が生成されるが、この水は、燃料オフガス（燃料電池本体から排出される燃料ガス）や酸化剤オフガス（燃料電池本体から排出される酸化剤ガス）中に含まれた状態で電池本体から排出される。
【０００３】
従って、燃料電池システムの停止中等に外気の温度が例えば氷点下にまで低下すると、システムのガス流路に設けられた弁や配管等の構成部品に残留するガス中の水分が凝縮して、これらの構成部品が凍結する場合がある。このような場合、その後燃料電池システムを始動させようとしても、始動させることができなかったり、始動させることができても正常な作動を行うことができなくなる恐れがある。特にポンプ等のようなガス供給系装置が凍結してしまうと、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が行えなくなり、システム全体が始動できるまで相当な時間を要してしまう。例えば、燃料ポンプとして回転式の圧縮ポンプ等を使用した場合、ロータとこれに対向するケーシング内面との隙間に水分が介在した状態で凍結が生じると、ロータがケーシングに固着されてしまい、運転再開時にポンプを速やかに起動することができなくなるという問題があった。
【０００４】
このようなポンプの凍結による不具合を回避する方法として、ロータの回転軸方向の表裏面およびこれと対向するケーシングの内面に溝を設けることが提案されている（特許文献１参照）。このようなポンプ構造では、ロータとこれに対向するケーシング内面の間で凍結が生じた際に、凍結による両者の固着領域を少なくすることができるため、ポンプの始動時にロータを容易に固着状態から離脱させ、通常の回転運動を開始させることができる。
【特許文献１】特開２００５−１５０２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、凍結による固着領域を少なくすることはできるが、オフガス中の生成水やポンプ室内で発生した凝縮水が溝に入り込むと、凍結による固着が発生する。従ってこのような場合には、低温環境下からポンプを起動させる際に、依然として起動に時間がかかるという問題がある。また、氷の粒によりロータ表面に傷が生じるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、低温環境においても水の凍結によるロータの固着が生じにくく、次回起動時に速やかに始動させることが可能なポンプおよびそのようなポンプを使用した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明では、ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプであって、前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプが提供される。本発明のポンプでは、ポンプ室内に水分が残留しても、水は、毛細管現象によって、ロータ表面からロータに設置された毛細管を介して、別の場所に誘導される。従って、ロータ表面に水分が残留することはなく、ロータがポンプ室内で固着されることを抑制することができる。
【０００８】
ここで、前記毛細管の一端の開口は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に設置されることが好ましい。この場合水は、前述のように前記領域に設置された開口を介して誘導される。従って、水がロータの当該領域に溜まることはなくなり、この領域での水の凍結によるロータの固着をより確実に防止することができる。
【０００９】
あるいは前記毛細管は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に開口を有する複数の溝で構成されても良い。この場合より多くの残留水をロータ表面から誘導させることが可能となる。
【００１０】
また前記毛細管の他端は、閉口端であっても良い。これにより毛細管内に誘導した水分を収容することが可能となる。
【００１１】
あるいは前記毛細管の他端は、前記ロータの回転軸方向の表裏面の少なくとも一方に設けられた開口であっても良い。これにより、ロータの回転軸方向の表裏面上の水分についても、毛細管側に誘導することが可能となり、水の凍結によるロータの固着をより効果的に抑制することができる。
【００１２】
さらに、前記ロータの回転軸方向の表裏面は、該表裏面の高さレベルよりも低くなるように形成された誘導部を有し、前記毛細管の他端は、前記誘導部に設けられた開口であっても良い。これにより、ロータの回転軸方向の表裏面の水分をより確実に毛細管側に誘導することができる。
【００１３】
また前記毛細管の一端の開口には、前記ロータ自身よりも弾性率の大きな部材が配置されても良い。この場合、ロータ回転時にこの部材が変形することを利用して、毛細管内の氷を粉砕し易くすることにより、ロータの回転の遠心力により、粉砕した氷を毛細管内から速やかに排出させることが可能となる。
【００１４】
上記のいずれかの特徴を有するポンプは、燃料電池システムに適用しても良い。このような燃料電池システムでは、ポンプ内で凍結が生じにくく、低温環境においても速やかな起動が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のポンプでは、低温環境下においてポンプ室内で水の凍結が生じても、ロータの固着を回避することができる。またこのようなポンプを燃料電池システムに適用することによって、低温環境においてもシステムの迅速な起動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面により本発明の形態を説明する。
【００１７】
図１には、本発明のポンプの一態様としてのルーツ型ポンプ１０の概略構成図を示す。なお本発明は、ルーツ型ポンプに限られるものではなく、他のダイアフラム型などのポンプについても同様に適用することができる。
【００１８】
ルーツ型ポンプ１０は、モータ部４５とポンプ部４８とで構成される。モータ部４５は、一端側（図１では下端側）が閉塞し、他端側（図の上端側）が開口した有底略筒状をなすモータハウジング１１１と、モータハウジング１１１に対して開口を閉塞するように印籠結合された仕切壁１１２とを備えており、モータハウジング１１１の内面と仕切壁１１２の内面とにより、モータ室１１３が囲み形成されている。ポンプ部４８は、一端側（図１では下端側）が開口した有底略楕円筒状をなすポンプケーシング１５と、ポンプケーシング１５に対して開口を閉塞するようにボルト１１５によって締付結合された軸受ブロック１１６とを備え、ポンプケーシング１５の内面と軸受ブロック１１６の内面によって、ポンプ室２０が囲み形成されている。
【００１９】
ポンプ部４８において、ポンプケーシング１５の他端側（図１の上端側）には、ポンプケーシング１５よりも小さな有底略楕円筒状をなすハウジング１１８が接合固定され、ポンプケーシング１５の他端側外面とギヤハウジング１１８の内面とにより、ギヤ室１１９が囲み形成されている。仕切壁１１２の外面と軸受ブロック１１６の外面が、ボルト等の締結手段（図示されていない）を介して接合固定されることにより、モータ部４５とポンプ部４８とが一体構成される。なお、前記モータハウジング１１１と仕切壁１１２との接合面、ポンプケーシング１５と軸受ブロック１１６との接合面、ポンプケーシング１５とギヤハウジング１１８との接合面、および仕切壁１１２と軸受ブロック１１６との接合面には、それぞれ、気密確保のため、Oリング１２０が設置されている。
【００２０】
モータハウジング１１１の底部１２１には、モータハウジング１１１の軸心と同軸上で、かつモータ室１１３内に臨む位置にベアリング１２２が設けられ、該ベアリング１２２に対して、駆動軸（第１の回転軸）３５の一端（図１では下端）が回転可能な状態で軸支されている。この第１の回転軸３５の他端側は、仕切壁１１２と軸受ブロック１１６およびポンプケーシング１５の底部１２４を貫通して、ギヤ室１１９まで延設されている。またこの第１の回転軸３５は、その他端部がポンプケーシング１５の底部１２４に設けられたベアリング１２５に回転可能に軸支され、さらにその中間部分が、軸受ブロック１１６に設けられたベアリング１２６に回転可能な状態で、挿通支持されている。またモータ室１１３内において、第１の回転軸３５には、モータ回転子１２７が取り付けられ、さらにモータ回転子１２７の外周側に位置するように、モータ固定子１２８がモータハウジング１１１に取り付けられ、モータ回転子１２７とモータ固定子１２８によって、電動モータ１２９が構成される。
【００２１】
ポンプ部４８のポンプ室２０内には、第１の回転軸３５と平行をなす第２の回転軸４０が、ポンプケーシング１５の底部１２４に設けられたベアリング１３１と軸受ブロック１１６に設けられたベアリング１３２とに両端部を支持され、それぞれに対して回転可能な状態で設置されている。ポンプ室２０において、第１の回転軸３５および第２の回転軸４０には、それぞれ２葉形状の駆動ロータ（第１のロータ）５０および従動ロータ（第２のロータ）６０が、取り付けられている。また、第２の回転軸４０の他端側は、第１の回転軸３５の他端側と同様に、ポンプケーシング１５の底部１２４を貫通して、ギヤ室１１９内にまで延設されている。ギヤ室１１９では、第１の回転軸３５の他端部に固定された第１のタイミングギヤ７０と第２の回転軸４０の他端部に固定された第２のタイミングギヤ７２とが噛合連結されている。なお、軸受ブロック１１６内、およびポンプケーシング１５の底部１２４内において第１の回転軸３５と第２の回転軸４０との各摺動部にはシーリング１３７が設置されている。
【００２２】
次に、ポンプ部４８におけるポンプ室２０の内部構造について詳しく説明する。なお、本明細書では、ロータの表面位置を表す際に、「回転軸方向の表裏面」および「回転軸方向の側面」という表現を用いる。「回転軸方向の表裏面」とは、ロータ用回転軸が通るロータの二つの面を意味し、「回転軸方向の側面」とは、ロータの「回転軸方向の表裏面」以外の面を意味する。
【００２３】
図２には、本発明のルーツ型ポンプ１０の作動時のポンプ室内の断面図を模式的に示す。本発明のルーツ型ポンプ１０では、ポンプケーシング１５は、ほぼ楕円状に形成されており、この内部にはポンプ室２０が設けられる。またポンプケーシング１５には、燃料電池からの燃料または酸化剤のオフガス等（以下、単にオフガスという）をポンプ室２０内へ吸引するための吸引口２５が設けられている。この吸引口２５は、ポンプケーシング１５の鉛直方向の上部に設けることが好ましい。またポンプケーシング１５には、ポンプ室内で圧縮されたオフガスをポンプ室２０から吐出するための吐出口３０が設けられている。この吐出口３０は、ポンプケーシング１５の鉛直方向の下部に設けることが好ましい。ポンプ室２０内には、前述のように、第１のロータ５０と第２のロータ６０が設置されている。第１のロータ５０は、中心Ｏを貫通する第１の回転軸３５に固定されており、第１の回転軸３５は、前述の電動モータ１２９によって回転される。第２のロータ６０は、中心Ｐを貫通する第２の回転軸４０に固定されており、この第２の回転軸４０は、第１の回転軸３５と平行にポンプ室外まで伸びている。前述のように、第１の回転軸３５と第２の回転軸４０の一端は、それぞれ、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２に固定されており、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２は、相互に噛合されている。
【００２４】
電動モータ１２９により第１の回転軸３５が回転されると、第１のロータ５０が回転される。またそれと同時に、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２を介して第２の回転軸４０が第１の回転軸３５とは反対の方向に回転される。従ってポンプ室２０内では、第１のロータ５０と第２のロータ６０は、図の矢印で示すように、相互に反対方向に回転される。また各ロータ５０、６０は相互に９０゜の位相差で回転し、ポンプ室２０の内面と協働することにより、ポンプ室２０内に吸引したオフガスが圧縮される。なおポンプ室２０の内面と各ロータ５０、６０との間には、これらが最近接したときでも、相互に接触しないように微小な隙間が形成されている。
【００２５】
ここで当該ポンプを燃料電池システムの循環ポンプとして使用した場合、背景部で示したように、ポンプ室２０内に取り込まれるオフガスには、燃料電池本体での電池反応により生じた水分が含まれ、ポンプ室２０内には、オフガスとともに一定量の水分が導入される。従って、オフガスがポンプ室２０内に残留された状態のままポンプ１０を停止しておくと、低温環境下では、ポンプ室２０内でオフガス中の水分が凝縮して、凍結が生じる恐れがある。特に、ロータ５０、６０とこれに対向するポンプケーシング１５の内面間の隙間で水の凍結が生じた場合、ロータ５０、６０がポンプケーシング１５に固着されて回転できなくなるため、凍結水が解凍されるまでポンプの起動ができなくなり、ポンプの起動に多大な時間を要するという問題が生じる。
【００２６】
しかしながら本発明のポンプ１０では、以下の通り、このような問題の発生を回避することができる。
【００２７】
図３には本発明のポンプ１０のロータ５０（またはロータ６０、以下同じ）を、また図４には、このロータ５０のＡ−Ａ断面を矢印の方向から見たときの概略図を示す。ロータ５０の側面５２のポンプケーシング１５の内面と最近接し対向する領域５４（以下対向面５４という）には、第１の開口８５が多数設けられている。この開口８５のそれぞれは、溝８０とつながっており、この溝８０は、対向面５４からロータ５０の内方に向かって、Ｘ軸方向（ロータ５０の長手方向）に沿って相互に平行に延びている。なお図４は一つの切断面を示したものであり、実際のロータ５０にはＹ軸（Ｘ軸と直行する軸）方向に沿って（例えばＡ’−Ａ’線、Ａ”−Ａ”線に沿って）、図４のような構造の溝８０が複数列形成されている。なお、これらの溝８０の深さには特に制限はないが、後述のように、ポンプの停止中に溝に収容された水分やこの凍結氷が、ポンプの作動中にロータ５０の回転によって速やかに放出され得る深さにする必要がある。また第１の開口８５の寸法についても特に制約はないが、これらの開口８５および溝８０は、毛細管現象を利用してロータ内部に水分を収容する毛細管としての役割を有するため、最大でも２、３mm以下程度の開口幅（または直径）とすることが好ましい。また本実施例においては、溝８０がＺ軸方向（回転軸方向）、Ｙ軸方向に等間隔で４本ずつ配置された例を示すが、溝８０の配置および数には特に制約はない。さらに図４において溝８０は長方形断面形状となっているが、断面形状はこれに限られるものではないことに留意する必要がある。
【００２８】
ポンプ１０のロータ５０の対向面５４にこのような開口８５および溝８０を設けたことにより、低温環境下においてオフガス中に含まれる水分がポンプ室２０内で凝縮し、ロータ５０の対向面５４に水分が溜まっても、水は、毛細管現象によってロータ５０の第１の開口８５から溝８０内に誘導され、そこに収容されることになる。従ってポンプ１０が水の凍結が生じるような低温環境に置かれても、水分は溝８０の内部で凍結するに過ぎず、ロータ５０がこれに対向するケーシング１５の内面と固着されて、ロータ５０が動かなくなるという問題を回避することができる。
【００２９】
ポンプの停止中に溝８０に収容された水は、次回のポンプ１０の起動時に、ロータ５０の遠心力によって溝８０から排出される。また溝８０の内部で凍結した氷も、ポンプ１０の起動時または作動中に、ポンプ室２０内の熱によって解凍され、ロータ５０の遠心力によって溝８０から排出される。これにより次回の低温環境下でのポンプ停止時に、これらの溝８０を再度水分の収容に利用することができる。ここで、溝内部で凍結した氷は、完全に解凍される前であっても、溝８０の内壁との固着がある程度解消され、氷と内壁との間に多少の隙間が生じれば、ロータ５０の回転による遠心力によって、溝８０から小片として排出され得ることに留意する必要がある。すなわちケーシングのような静止体に、水を収容する溝などを設置する構造では、ポンプ停止中に溝に溜まり凍結した水分が完全に解凍され、液体水として溝から完全に排出されない限り、溝内を「空」にすることはできない。従ってポンプの運転時間が短く、凍結氷が不完全に解凍され、液体として流出される前にポンプが停止してしまった場合には、溝内に氷が残留したままの状態となり、ポンプ停止中に溝が水を収容する収容部として十分に機能しなくなる可能性がある。これに対して、本発明では、回転体であるロータの内部に水を収容する溝を設けたため、前述のように氷を速やかに排出させることができ、このような問題が生じにくくなる。その後、溝８０から排出された液体水あるいは氷の小破片は、吐出口３０からポンプ外へ排出される。
【００３０】
本発明の変形例は図５に示されている。この例では、溝８０の第１の開口８５側の端部から一定の深さで、ロータ５０の材質よりも弾性率の大きなゴムなどの部材８４が取り付けられている。このような構成では、ロータ５０の溝８０に収容された水分が凍結した状態でポンプ１０を起動すると、ロータ５０の回転時に部材８４が変形するため、溝８０内の氷柱に応力が加わりやすくなり、ロータ５０の回転による遠心力によって氷柱を速やかに粉砕して、溝８０から排出させることが可能となる。従って、ポンプの作動中に、溝内で凍結した氷がロータから排出されるまでの時間をさらに短縮することができる。
【００３１】
図６、７には、別の実施例を示す。図６に示すロータ５０では、溝８０の形状が前述の実施例とは異なっている。各溝８０は、ロータ５０の内方側に第２の開口８６を有し、第２の開口８６は、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１のいずれかに設けられている。このような溝の構造では、前述の対向面５４の位置での水に加えて、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１に凝縮する水分を溝８０内に収容することも可能となる。従って、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１上に凝縮する水分が凍結して、ロータ５０が固着されることを防止することが可能となる。
【００３２】
図７に示すロータ５０は、図６に示すロータ５０の別の実施の態様である。この例では、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１には、溝８０に水を誘導するための誘導部９０が設けられている。誘導部９０は、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１の高さレベルに比べて、深さｄだけ低くなるようにして構成される。また第２の開口８６は、この収容部９０内に設置される。ロータ５０にこのような誘導部９０を設けることにより、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１で凝縮した水分を、より確実に溝８０の方に誘導することができる。
【００３３】
このように本発明のポンプでは、ロータ５０の側面５２の対向面５４に多数の開口８５を設け、さらに開口につながれた溝８０を設けたため、凝縮した水分を毛細管現象を利用して溝８０内に収容することができる。従ってロータ５０の対向面５４には水が残留しにくく、水の凍結によるロータ５０の固着を防止することができる。これにより低温環境下においても、ポンプを迅速に始動させることが可能となる。
【００３４】
なお上記の実施例では、ロータ５０の回転軸方向の側面や表裏面に付着、凝縮した水分を移動させる毛細管として、多数の溝８０を設置した例について説明したが、本発明の態様はこれに限られるものではない。すなわち、本発明では、毛細管現象を利用してロータ５０に生じた水を別の場所に移動させることができる構造であって、例えばロータの回転等を利用して、この誘導させた水または凍結氷を速やかに系外に排出することのできる構造であれば、溝形状に限らず、いかなる形態であっても利用することが可能である。
【００３５】
本発明のポンプは、燃料電池システムの燃料ガスまたは酸化剤ガスのポンプとしても使用することが可能である。そこで次に、本発明のポンプを使用した燃料電池システムの実施の形態について説明する。なお以下の例では、本発明によるポンプを燃料オフガスの循環経路に適用したシステムについて説明する。ただし、本発明は酸化剤ガス側の経路にも適用できる。
【００３６】
図８には、本発明による燃料電池システムの一構成例を示す。このシステムは、燃料電池本体１を有し、この燃料電池本体１で発生した電力を、例えば車両等の駆動源として利用することができる。またこの燃料電池システムは、システム内で燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための酸化剤ガス流路３とを備えている。なお以下の説明では、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを使用するシステムを例に説明する。
【００３７】
燃料ガス流路２は、例えば高圧水素タンク２００のような水素燃料源からの燃料ガスを燃料電池本体１に供給するための燃料ガス供給流路２０１と、燃料電池本体１から燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出流路２０３とを備えている。ただし燃料オフガス排出流路２０３は、実質的には循環流路となっており、燃料電池本体１側から、気液分離器２２０および本発明による前述の特徴を有する水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に接続されている。以降この燃料オフガス排出流路２０３を循環流路２０３とも呼ぶ。循環流路２０３には、第１の分岐流路２０７と、第２の分岐流路２０９とが接続されている。
【００３８】
また、燃料ガス流路２の燃料ガス供給流路２０１には、高圧水素タンク２００の放出口に常閉電磁弁２３０が配置されており、燃料電池本体１側に向かって順に、減圧弁２３２、常閉減圧弁２３４が配置されている。一方循環流路２０３には、燃料電池本体１側から見てこの順に常閉減圧弁２４０、気液分離器２２０、水素ポンプ２１０および逆止弁２４２が配置されている。また第１の分岐流路２０７は、気液分離器２２０と接続されており、その途中には常閉電磁弁２４４が配置されている。第２の分岐流路２０９は、水素ポンプ２１０の出口側と、循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１の接続点Ａの間で、循環流路２０３に接続されている。第２の分岐流路２０９には常閉電磁弁（パージ弁）２４６および希釈器２５０が配置されており、希釈器２５０の出口側の第２の分岐流路２０９の他端は、後述する酸化剤オフガス排出流路３０３と接続されている。なお第１の分岐流路２０７の他端も、酸化剤オフガス排出流路３０３と接続されている。
【００３９】
一方、酸化剤ガス流路３は、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路３０１と、燃料電池本体１から酸化剤オフガスを排出するための酸化剤オフガス排出流路３０３とを備えている。
【００４０】
酸化剤ガス供給流路３０１には、コンプレッサ３０５と加湿器３２５とが配置されている。また酸化剤オフガス排出流路３０３には、前述の加湿器３２５が設置され、加湿器３２５と燃料電池本体１の間には電磁弁（エア調圧弁）３０９が配置されている。
【００４１】
ここで、酸化剤ガスの通常の流れについて簡単に説明する。燃料電池システムの通常の運転時には、コンプレッサ３０５を駆動させることにより、大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれ、酸化剤ガス供給流路３０１を通り、加湿器３２５を介して燃料電池１に供給される。供給された酸化剤ガスは、燃料電池１内において電気化学反応により消費された後、酸化剤オフガスとして排出される。排出された酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排出流路３０３を通り、外部に排出される。
【００４２】
次に水素ガスの流れについて説明する。通常の運転時には、電磁弁２３０が開かれ、高圧水素タンク２００から水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、燃料ガス供給流路２０１を通って、減圧弁２３２で減圧された後、電磁弁２３４を介して燃料電池本体１に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１内で電気化学反応に消費された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路２０３を通り、気液分離器２２０で水分が除去された後、前述の特徴を有する水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に戻され、再び燃料電池本体１に供給される。なお燃料ガス供給流路２０１と循環流路２０３の接続点Ａと水素ポンプ２１０との間には逆止弁２４２が設けられているため、循環している水素オフガスは、逆流しない。なお通常は、第１および第２の分岐流路２０７、２０９の電磁弁２４４および２４６は閉じているが、必要に応じてこれらのバルブが開かれると、それぞれの分岐流路から、気液分離器２２０で処理された水分を多く含むガスおよび循環させる必要のなくなった水素オフガスが排出される。これらの液体および／または気体は、酸化剤オフガス排出流路３０３を介して系外に排出される。
【００４３】
このような燃料電池システムを低温環境下で停止させた場合、水素ポンプ２１０は前述のような特徴を有するため、ポンプ室に水素オフガスが含まれていても、ポンプ室内では水分によるロータの凍結は生じない。従って、次回の燃料電池システム起動時に速やかな起動が可能となる。
【００４４】
なお、本発明の説明のために使用した燃料電池システムの構成は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、実際の燃料電池システムでは、示されていない箇所にも、電磁弁や配管等他の構成部品が配設される場合があり、逆に図８に示したいくつかの構成部品が省略される場合もあり得ることに留意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のポンプの概略断面図である。
【図２】ポンプケーシング、ロータおよび回転軸の関係を模式的に示したポンプ室の概略断面図である。
【図３】本発明によるポンプのロータの正面図である。
【図４】本発明によるポンプのロータの図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】溝８０の第１の開口８５の周囲に弾性の高い部材８４を設置したロータの概略断面図である。
【図６】ロータの回転軸方向の表裏面５１に第２の開口８６を有する、溝８０の別の形状を示す図である。
【図７】ロータの回転軸方向の表裏面５１に設置された誘導部９０に第２の開口を有する、溝８０のさらに別の形状を示す図である。
【図８】本発明によるポンプを水素循環ポンプとして使用した、燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 燃料電池本体
２ 燃料ガス流路
３ 酸化剤ガス流路
１０ ポンプ
１５ ポンプケーシング
２０ ポンプ室
２５ 吸引口
３０ 吐出口
３５ 第１の回転軸
４０ 第２の回転軸
４５ モータ部
４８ ポンプ部
５０ 第１のロータ
５１ 回転軸方向の表裏面
５２ ロータ側面
５４ 対向面
６０ 第２のロータ
７０ 第１のタイミングギヤ
７２ 第２のタイミングギヤ
８０ 溝
８４ 弾性部材
８５ 第１の開口
８６ 第２の開口
９０ 誘導部
１２９ 電動モータ
２００ 高圧水素タンク
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 循環流路
２０７ 第１の分岐流路
２０９ 第２の分岐流路
２１０ 水素ポンプ
２２０ 燃料オフガス用気液分離器
２３０、２３４、２４０、２４４、２４６ 電磁弁
２３２ 減圧弁
２４２ 逆止弁
２５０ 希釈器
３０１ 酸化剤ガス供給流路
３０３ 酸化剤オフガス排出流路
３０５ コンプレッサ
３０９、３４４、５１０ 電磁弁
３２５ 加湿器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温下でも凍結の生じにくいポンプおよびそのようなポンプを使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給し、電池本体でこれらのガスの電気化学反応を利用して発電を行うシステムである。この電気化学反応によって電池本体では水が生成されるが、この水は、燃料オフガス（燃料電池本体から排出される燃料ガス）や酸化剤オフガス（燃料電池本体から排出される酸化剤ガス）中に含まれた状態で電池本体から排出される。
【０００３】
従って、燃料電池システムの停止中等に外気の温度が例えば氷点下にまで低下すると、システムのガス流路に設けられた弁や配管等の構成部品に残留するガス中の水分が凝縮して、これらの構成部品が凍結する場合がある。このような場合、その後燃料電池システムを始動させようとしても、始動させることができなかったり、始動させることができても正常な作動を行うことができなくなる恐れがある。特にポンプ等のようなガス供給系装置が凍結してしまうと、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が行えなくなり、システム全体が始動できるまで相当な時間を要してしまう。例えば、燃料ポンプとして回転式の圧縮ポンプ等を使用した場合、ロータとこれに対向するケーシング内面との隙間に水分が介在した状態で凍結が生じると、ロータがケーシングに固着されてしまい、運転再開時にポンプを速やかに起動することができなくなるという問題があった。
【０００４】
このようなポンプの凍結による不具合を回避する方法として、ロータの回転軸方向の表裏面およびこれと対向するケーシングの内面に溝を設けることが提案されている（特許文献１参照）。このようなポンプ構造では、ロータとこれに対向するケーシング内面の間で凍結が生じた際に、凍結による両者の固着領域を少なくすることができるため、ポンプの始動時にロータを容易に固着状態から離脱させ、通常の回転運動を開始させることができる。
【特許文献１】特開２００５−１５０２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、凍結による固着領域を少なくすることはできるが、オフガス中の生成水やポンプ室内で発生した凝縮水が溝に入り込むと、凍結による固着が発生する。従ってこのような場合には、低温環境下からポンプを起動させる際に、依然として起動に時間がかかるという問題がある。また、氷の粒によりロータ表面に傷が生じるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、低温環境においても水の凍結によるロータの固着が生じにくく、次回起動時に速やかに始動させることが可能なポンプおよびそのようなポンプを使用した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明では、ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプであって、前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプが提供される。本発明のポンプでは、ポンプ室内に水分が残留しても、水は、毛細管現象によって、ロータ表面からロータに設置された毛細管を介して、別の場所に誘導される。従って、ロータ表面に水分が残留することはなく、ロータがポンプ室内で固着されることを抑制することができる。
【０００８】
ここで、前記毛細管の一端の開口は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に設置されることが好ましい。この場合水は、前述のように前記領域に設置された開口を介して誘導される。従って、水がロータの当該領域に溜まることはなくなり、この領域での水の凍結によるロータの固着をより確実に防止することができる。
【０００９】
あるいは前記毛細管は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に開口を有する複数の溝で構成されても良い。この場合より多くの残留水をロータ表面から誘導させることが可能となる。
【００１０】
また前記毛細管の他端は、閉口端であっても良い。これにより毛細管内に誘導した水分を収容することが可能となる。
【００１１】
あるいは前記毛細管の他端は、前記ロータの回転軸方向の表裏面の少なくとも一方に設けられた開口であっても良い。これにより、ロータの回転軸方向の表裏面上の水分についても、毛細管側に誘導することが可能となり、水の凍結によるロータの固着をより効果的に抑制することができる。
【００１２】
さらに、前記ロータの回転軸方向の表裏面は、該表裏面の高さレベルよりも低くなるように形成された誘導部を有し、前記毛細管の他端は、前記誘導部に設けられた開口であっても良い。これにより、ロータの回転軸方向の表裏面の水分をより確実に毛細管側に誘導することができる。
【００１３】
また前記毛細管の一端の開口には、前記ロータ自身よりも弾性率の大きな部材が配置されても良い。この場合、ロータ回転時にこの部材が変形することを利用して、毛細管内の氷を粉砕し易くすることにより、ロータの回転の遠心力により、粉砕した氷を毛細管内から速やかに排出させることが可能となる。
【００１４】
上記のいずれかの特徴を有するポンプは、燃料電池システムに適用しても良い。このような燃料電池システムでは、ポンプ内で凍結が生じにくく、低温環境においても速やかな起動が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のポンプでは、低温環境下においてポンプ室内で水の凍結が生じても、ロータの固着を回避することができる。またこのようなポンプを燃料電池システムに適用することによって、低温環境においてもシステムの迅速な起動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面により本発明の形態を説明する。
【００１７】
図１には、本発明のポンプの一態様としてのルーツ型ポンプ１０の概略構成図を示す。なお本発明は、ルーツ型ポンプに限られるものではなく、他のダイアフラム型などのポンプについても同様に適用することができる。
【００１８】
ルーツ型ポンプ１０は、モータ部４５とポンプ部４８とで構成される。モータ部４５は、一端側（図１では下端側）が閉塞し、他端側（図の上端側）が開口した有底略筒状をなすモータハウジング１１１と、モータハウジング１１１に対して開口を閉塞するように印籠結合された仕切壁１１２とを備えており、モータハウジング１１１の内面と仕切壁１１２の内面とにより、モータ室１１３が囲み形成されている。ポンプ部４８は、一端側（図１では下端側）が開口した有底略楕円筒状をなすポンプケーシング１５と、ポンプケーシング１５に対して開口を閉塞するようにボルト１１５によって締付結合された軸受ブロック１１６とを備え、ポンプケーシング１５の内面と軸受ブロック１１６の内面によって、ポンプ室２０が囲み形成されている。
【００１９】
ポンプ部４８において、ポンプケーシング１５の他端側（図１の上端側）には、ポンプケーシング１５よりも小さな有底略楕円筒状をなすハウジング１１８が接合固定され、ポンプケーシング１５の他端側外面とギヤハウジング１１８の内面とにより、ギヤ室１１９が囲み形成されている。仕切壁１１２の外面と軸受ブロック１１６の外面が、ボルト等の締結手段（図示されていない）を介して接合固定されることにより、モータ部４５とポンプ部４８とが一体構成される。なお、前記モータハウジング１１１と仕切壁１１２との接合面、ポンプケーシング１５と軸受ブロック１１６との接合面、ポンプケーシング１５とギヤハウジング１１８との接合面、および仕切壁１１２と軸受ブロック１１６との接合面には、それぞれ、気密確保のため、Oリング１２０が設置されている。
【００２０】
モータハウジング１１１の底部１２１には、モータハウジング１１１の軸心と同軸上で、かつモータ室１１３内に臨む位置にベアリング１２２が設けられ、該ベアリング１２２に対して、駆動軸（第１の回転軸）３５の一端（図１では下端）が回転可能な状態で軸支されている。この第１の回転軸３５の他端側は、仕切壁１１２と軸受ブロック１１６およびポンプケーシング１５の底部１２４を貫通して、ギヤ室１１９まで延設されている。またこの第１の回転軸３５は、その他端部がポンプケーシング１５の底部１２４に設けられたベアリング１２５に回転可能に軸支され、さらにその中間部分が、軸受ブロック１１６に設けられたベアリング１２６に回転可能な状態で、挿通支持されている。またモータ室１１３内において、第１の回転軸３５には、モータ回転子１２７が取り付けられ、さらにモータ回転子１２７の外周側に位置するように、モータ固定子１２８がモータハウジング１１１に取り付けられ、モータ回転子１２７とモータ固定子１２８によって、電動モータ１２９が構成される。
【００２１】
ポンプ部４８のポンプ室２０内には、第１の回転軸３５と平行をなす第２の回転軸４０が、ポンプケーシング１５の底部１２４に設けられたベアリング１３１と軸受ブロック１１６に設けられたベアリング１３２とに両端部を支持され、それぞれに対して回転可能な状態で設置されている。ポンプ室２０において、第１の回転軸３５および第２の回転軸４０には、それぞれ２葉形状の駆動ロータ（第１のロータ）５０および従動ロータ（第２のロータ）６０が、取り付けられている。また、第２の回転軸４０の他端側は、第１の回転軸３５の他端側と同様に、ポンプケーシング１５の底部１２４を貫通して、ギヤ室１１９内にまで延設されている。ギヤ室１１９では、第１の回転軸３５の他端部に固定された第１のタイミングギヤ７０と第２の回転軸４０の他端部に固定された第２のタイミングギヤ７２とが噛合連結されている。なお、軸受ブロック１１６内、およびポンプケーシング１５の底部１２４内において第１の回転軸３５と第２の回転軸４０との各摺動部にはシーリング１３７が設置されている。
【００２２】
次に、ポンプ部４８におけるポンプ室２０の内部構造について詳しく説明する。なお、本明細書では、ロータの表面位置を表す際に、「回転軸方向の表裏面」および「回転軸方向の側面」という表現を用いる。「回転軸方向の表裏面」とは、ロータ用回転軸が通るロータの二つの面を意味し、「回転軸方向の側面」とは、ロータの「回転軸方向の表裏面」以外の面を意味する。
【００２３】
図２には、本発明のルーツ型ポンプ１０の作動時のポンプ室内の断面図を模式的に示す。本発明のルーツ型ポンプ１０では、ポンプケーシング１５は、ほぼ楕円状に形成されており、この内部にはポンプ室２０が設けられる。またポンプケーシング１５には、燃料電池からの燃料または酸化剤のオフガス等（以下、単にオフガスという）をポンプ室２０内へ吸引するための吸引口２５が設けられている。この吸引口２５は、ポンプケーシング１５の鉛直方向の上部に設けることが好ましい。またポンプケーシング１５には、ポンプ室内で圧縮されたオフガスをポンプ室２０から吐出するための吐出口３０が設けられている。この吐出口３０は、ポンプケーシング１５の鉛直方向の下部に設けることが好ましい。ポンプ室２０内には、前述のように、第１のロータ５０と第２のロータ６０が設置されている。第１のロータ５０は、中心Ｏを貫通する第１の回転軸３５に固定されており、第１の回転軸３５は、前述の電動モータ１２９によって回転される。第２のロータ６０は、中心Ｐを貫通する第２の回転軸４０に固定されており、この第２の回転軸４０は、第１の回転軸３５と平行にポンプ室外まで伸びている。前述のように、第１の回転軸３５と第２の回転軸４０の一端は、それぞれ、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２に固定されており、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２は、相互に噛合されている。
【００２４】
電動モータ１２９により第１の回転軸３５が回転されると、第１のロータ５０が回転される。またそれと同時に、第１および第２のタイミングギヤ７０、７２を介して第２の回転軸４０が第１の回転軸３５とは反対の方向に回転される。従ってポンプ室２０内では、第１のロータ５０と第２のロータ６０は、図の矢印で示すように、相互に反対方向に回転される。また各ロータ５０、６０は相互に９０゜の位相差で回転し、ポンプ室２０の内面と協働することにより、ポンプ室２０内に吸引したオフガスが圧縮される。なおポンプ室２０の内面と各ロータ５０、６０との間には、これらが最近接したときでも、相互に接触しないように微小な隙間が形成されている。
【００２５】
ここで当該ポンプを燃料電池システムの循環ポンプとして使用した場合、背景部で示したように、ポンプ室２０内に取り込まれるオフガスには、燃料電池本体での電池反応により生じた水分が含まれ、ポンプ室２０内には、オフガスとともに一定量の水分が導入される。従って、オフガスがポンプ室２０内に残留された状態のままポンプ１０を停止しておくと、低温環境下では、ポンプ室２０内でオフガス中の水分が凝縮して、凍結が生じる恐れがある。特に、ロータ５０、６０とこれに対向するポンプケーシング１５の内面間の隙間で水の凍結が生じた場合、ロータ５０、６０がポンプケーシング１５に固着されて回転できなくなるため、凍結水が解凍されるまでポンプの起動ができなくなり、ポンプの起動に多大な時間を要するという問題が生じる。
【００２６】
しかしながら本発明のポンプ１０では、以下の通り、このような問題の発生を回避することができる。
【００２７】
図３には本発明のポンプ１０のロータ５０（またはロータ６０、以下同じ）を、また図４には、このロータ５０のＡ−Ａ断面を矢印の方向から見たときの概略図を示す。ロータ５０の側面５２のポンプケーシング１５の内面と最近接し対向する領域５４（以下対向面５４という）には、第１の開口８５が多数設けられている。この開口８５のそれぞれは、溝８０とつながっており、この溝８０は、対向面５４からロータ５０の内方に向かって、Ｘ軸方向（ロータ５０の長手方向）に沿って相互に平行に延びている。なお図４は一つの切断面を示したものであり、実際のロータ５０にはＹ軸（Ｘ軸と直行する軸）方向に沿って（例えばＡ’−Ａ’線、Ａ”−Ａ”線に沿って）、図４のような構造の溝８０が複数列形成されている。なお、これらの溝８０の深さには特に制限はないが、後述のように、ポンプの停止中に溝に収容された水分やこの凍結氷が、ポンプの作動中にロータ５０の回転によって速やかに放出され得る深さにする必要がある。また第１の開口８５の寸法についても特に制約はないが、これらの開口８５および溝８０は、毛細管現象を利用してロータ内部に水分を収容する毛細管としての役割を有するため、最大でも２、３mm以下程度の開口幅（または直径）とすることが好ましい。また本実施例においては、溝８０がＺ軸方向（回転軸方向）、Ｙ軸方向に等間隔で４本ずつ配置された例を示すが、溝８０の配置および数には特に制約はない。さらに図４において溝８０は長方形断面形状となっているが、断面形状はこれに限られるものではないことに留意する必要がある。
【００２８】
ポンプ１０のロータ５０の対向面５４にこのような開口８５および溝８０を設けたことにより、低温環境下においてオフガス中に含まれる水分がポンプ室２０内で凝縮し、ロータ５０の対向面５４に水分が溜まっても、水は、毛細管現象によってロータ５０の第１の開口８５から溝８０内に誘導され、そこに収容されることになる。従ってポンプ１０が水の凍結が生じるような低温環境に置かれても、水分は溝８０の内部で凍結するに過ぎず、ロータ５０がこれに対向するケーシング１５の内面と固着されて、ロータ５０が動かなくなるという問題を回避することができる。
【００２９】
ポンプの停止中に溝８０に収容された水は、次回のポンプ１０の起動時に、ロータ５０の遠心力によって溝８０から排出される。また溝８０の内部で凍結した氷も、ポンプ１０の起動時または作動中に、ポンプ室２０内の熱によって解凍され、ロータ５０の遠心力によって溝８０から排出される。これにより次回の低温環境下でのポンプ停止時に、これらの溝８０を再度水分の収容に利用することができる。ここで、溝内部で凍結した氷は、完全に解凍される前であっても、溝８０の内壁との固着がある程度解消され、氷と内壁との間に多少の隙間が生じれば、ロータ５０の回転による遠心力によって、溝８０から小片として排出され得ることに留意する必要がある。すなわちケーシングのような静止体に、水を収容する溝などを設置する構造では、ポンプ停止中に溝に溜まり凍結した水分が完全に解凍され、液体水として溝から完全に排出されない限り、溝内を「空」にすることはできない。従ってポンプの運転時間が短く、凍結氷が不完全に解凍され、液体として流出される前にポンプが停止してしまった場合には、溝内に氷が残留したままの状態となり、ポンプ停止中に溝が水を収容する収容部として十分に機能しなくなる可能性がある。これに対して、本発明では、回転体であるロータの内部に水を収容する溝を設けたため、前述のように氷を速やかに排出させることができ、このような問題が生じにくくなる。その後、溝８０から排出された液体水あるいは氷の小破片は、吐出口３０からポンプ外へ排出される。
【００３０】
本発明の変形例は図５に示されている。この例では、溝８０の第１の開口８５側の端部から一定の深さで、ロータ５０の材質よりも弾性率の大きなゴムなどの部材８４が取り付けられている。このような構成では、ロータ５０の溝８０に収容された水分が凍結した状態でポンプ１０を起動すると、ロータ５０の回転時に部材８４が変形するため、溝８０内の氷柱に応力が加わりやすくなり、ロータ５０の回転による遠心力によって氷柱を速やかに粉砕して、溝８０から排出させることが可能となる。従って、ポンプの作動中に、溝内で凍結した氷がロータから排出されるまでの時間をさらに短縮することができる。
【００３１】
図６、７には、別の実施例を示す。図６に示すロータ５０では、溝８０の形状が前述の実施例とは異なっている。各溝８０は、ロータ５０の内方側に第２の開口８６を有し、第２の開口８６は、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１のいずれかに設けられている。このような溝の構造では、前述の対向面５４の位置での水に加えて、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１に凝縮する水分を溝８０内に収容することも可能となる。従って、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１上に凝縮する水分が凍結して、ロータ５０が固着されることを防止することが可能となる。
【００３２】
図７に示すロータ５０は、図６に示すロータ５０の別の実施の態様である。この例では、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１には、溝８０に水を誘導するための誘導部９０が設けられている。誘導部９０は、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１の高さレベルに比べて、深さｄだけ低くなるようにして構成される。また第２の開口８６は、この収容部９０内に設置される。ロータ５０にこのような誘導部９０を設けることにより、ロータ５０のＺ軸方向の表裏面５１で凝縮した水分を、より確実に溝８０の方に誘導することができる。
【００３３】
このように本発明のポンプでは、ロータ５０の側面５２の対向面５４に多数の開口８５を設け、さらに開口につながれた溝８０を設けたため、凝縮した水分を毛細管現象を利用して溝８０内に収容することができる。従ってロータ５０の対向面５４には水が残留しにくく、水の凍結によるロータ５０の固着を防止することができる。これにより低温環境下においても、ポンプを迅速に始動させることが可能となる。
【００３４】
なお上記の実施例では、ロータ５０の回転軸方向の側面や表裏面に付着、凝縮した水分を移動させる毛細管として、多数の溝８０を設置した例について説明したが、本発明の態様はこれに限られるものではない。すなわち、本発明では、毛細管現象を利用してロータ５０に生じた水を別の場所に移動させることができる構造であって、例えばロータの回転等を利用して、この誘導させた水または凍結氷を速やかに系外に排出することのできる構造であれば、溝形状に限らず、いかなる形態であっても利用することが可能である。
【００３５】
本発明のポンプは、燃料電池システムの燃料ガスまたは酸化剤ガスのポンプとしても使用することが可能である。そこで次に、本発明のポンプを使用した燃料電池システムの実施の形態について説明する。なお以下の例では、本発明によるポンプを燃料オフガスの循環経路に適用したシステムについて説明する。ただし、本発明は酸化剤ガス側の経路にも適用できる。
【００３６】
図８には、本発明による燃料電池システムの一構成例を示す。このシステムは、燃料電池本体１を有し、この燃料電池本体１で発生した電力を、例えば車両等の駆動源として利用することができる。またこの燃料電池システムは、システム内で燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための酸化剤ガス流路３とを備えている。なお以下の説明では、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを使用するシステムを例に説明する。
【００３７】
燃料ガス流路２は、例えば高圧水素タンク２００のような水素燃料源からの燃料ガスを燃料電池本体１に供給するための燃料ガス供給流路２０１と、燃料電池本体１から燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出流路２０３とを備えている。ただし燃料オフガス排出流路２０３は、実質的には循環流路となっており、燃料電池本体１側から、気液分離器２２０および本発明による前述の特徴を有する水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に接続されている。以降この燃料オフガス排出流路２０３を循環流路２０３とも呼ぶ。循環流路２０３には、第１の分岐流路２０７と、第２の分岐流路２０９とが接続されている。
【００３８】
また、燃料ガス流路２の燃料ガス供給流路２０１には、高圧水素タンク２００の放出口に常閉電磁弁２３０が配置されており、燃料電池本体１側に向かって順に、減圧弁２３２、常閉減圧弁２３４が配置されている。一方循環流路２０３には、燃料電池本体１側から見てこの順に常閉減圧弁２４０、気液分離器２２０、水素ポンプ２１０および逆止弁２４２が配置されている。また第１の分岐流路２０７は、気液分離器２２０と接続されており、その途中には常閉電磁弁２４４が配置されている。第２の分岐流路２０９は、水素ポンプ２１０の出口側と、循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１の接続点Ａの間で、循環流路２０３に接続されている。第２の分岐流路２０９には常閉電磁弁（パージ弁）２４６および希釈器２５０が配置されており、希釈器２５０の出口側の第２の分岐流路２０９の他端は、後述する酸化剤オフガス排出流路３０３と接続されている。なお第１の分岐流路２０７の他端も、酸化剤オフガス排出流路３０３と接続されている。
【００３９】
一方、酸化剤ガス流路３は、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路３０１と、燃料電池本体１から酸化剤オフガスを排出するための酸化剤オフガス排出流路３０３とを備えている。
【００４０】
酸化剤ガス供給流路３０１には、コンプレッサ３０５と加湿器３２５とが配置されている。また酸化剤オフガス排出流路３０３には、前述の加湿器３２５が設置され、加湿器３２５と燃料電池本体１の間には電磁弁（エア調圧弁）３０９が配置されている。
【００４１】
ここで、酸化剤ガスの通常の流れについて簡単に説明する。燃料電池システムの通常の運転時には、コンプレッサ３０５を駆動させることにより、大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれ、酸化剤ガス供給流路３０１を通り、加湿器３２５を介して燃料電池１に供給される。供給された酸化剤ガスは、燃料電池１内において電気化学反応により消費された後、酸化剤オフガスとして排出される。排出された酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排出流路３０３を通り、外部に排出される。
【００４２】
次に水素ガスの流れについて説明する。通常の運転時には、電磁弁２３０が開かれ、高圧水素タンク２００から水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、燃料ガス供給流路２０１を通って、減圧弁２３２で減圧された後、電磁弁２３４を介して燃料電池本体１に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１内で電気化学反応に消費された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路２０３を通り、気液分離器２２０で水分が除去された後、前述の特徴を有する水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に戻され、再び燃料電池本体１に供給される。なお燃料ガス供給流路２０１と循環流路２０３の接続点Ａと水素ポンプ２１０との間には逆止弁２４２が設けられているため、循環している水素オフガスは、逆流しない。なお通常は、第１および第２の分岐流路２０７、２０９の電磁弁２４４および２４６は閉じているが、必要に応じてこれらのバルブが開かれると、それぞれの分岐流路から、気液分離器２２０で処理された水分を多く含むガスおよび循環させる必要のなくなった水素オフガスが排出される。これらの液体および／または気体は、酸化剤オフガス排出流路３０３を介して系外に排出される。
【００４３】
このような燃料電池システムを低温環境下で停止させた場合、水素ポンプ２１０は前述のような特徴を有するため、ポンプ室に水素オフガスが含まれていても、ポンプ室内では水分によるロータの凍結は生じない。従って、次回の燃料電池システム起動時に速やかな起動が可能となる。
【００４４】
なお、本発明の説明のために使用した燃料電池システムの構成は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、実際の燃料電池システムでは、示されていない箇所にも、電磁弁や配管等他の構成部品が配設される場合があり、逆に図８に示したいくつかの構成部品が省略される場合もあり得ることに留意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のポンプの概略断面図である。
【図２】ポンプケーシング、ロータおよび回転軸の関係を模式的に示したポンプ室の概略断面図である。
【図３】本発明によるポンプのロータの正面図である。
【図４】本発明によるポンプのロータの図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】溝８０の第１の開口８５の周囲に弾性の高い部材８４を設置したロータの概略断面図である。
【図６】ロータの回転軸方向の表裏面５１に第２の開口８６を有する、溝８０の別の形状を示す図である。
【図７】ロータの回転軸方向の表裏面５１に設置された誘導部９０に第２の開口を有する、溝８０のさらに別の形状を示す図である。
【図８】本発明によるポンプを水素循環ポンプとして使用した、燃料電池システムの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 燃料電池本体
２ 燃料ガス流路
３ 酸化剤ガス流路
１０ ポンプ
１５ ポンプケーシング
２０ ポンプ室
２５ 吸引口
３０ 吐出口
３５ 第１の回転軸
４０ 第２の回転軸
４５ モータ部
４８ ポンプ部
５０ 第１のロータ
５１ 回転軸方向の表裏面
５２ ロータ側面
５４ 対向面
６０ 第２のロータ
７０ 第１のタイミングギヤ
７２ 第２のタイミングギヤ
８０ 溝
８４ 弾性部材
８５ 第１の開口
８６ 第２の開口
９０ 誘導部
１２９ 電動モータ
２００ 高圧水素タンク
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 循環流路
２０７ 第１の分岐流路
２０９ 第２の分岐流路
２１０ 水素ポンプ
２２０ 燃料オフガス用気液分離器
２３０、２３４、２４０、２４４、２４６ 電磁弁
２３２ 減圧弁
２４２ 逆止弁
２５０ 希釈器
３０１ 酸化剤ガス供給流路
３０３ 酸化剤オフガス排出流路
３０５ コンプレッサ
３０９、３４４、５１０ 電磁弁
３２５ 加湿器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプであって、
前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記毛細管の一端の開口は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に設置されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記毛細管は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に開口を有する複数の溝で構成されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
前記毛細管の他端は、閉口端であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項５】
前記毛細管の他端は、前記ロータの回転軸方向の表裏面の少なくとも一方に設けられた開口であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項６】
前記ロータの回転軸方向の表裏面は、該表裏面の高さレベルよりも低くなるように形成された誘導部を有し、前記毛細管の他端は、前記誘導部に設けられた開口であることを特徴とする請求項５に記載のポンプ。
【請求項７】
前記毛細管の一端の開口には、前記ロータ自身よりも弾性率の大きな部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つに記載のポンプを備えた燃料電池システム。
【請求項１】
ポンプ室内に設置されたロータを回転軸で回転することにより流体を圧縮するポンプであって、
前記ロータは、毛細管を有し、該毛細管の一端の開口は、ロータの表面に設けられることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記毛細管の一端の開口は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に設置されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記毛細管は、前記ロータの回転軸方向の側面の、ポンプ室の内面と近接して対向する領域に開口を有する複数の溝で構成されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
前記毛細管の他端は、閉口端であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項５】
前記毛細管の他端は、前記ロータの回転軸方向の表裏面の少なくとも一方に設けられた開口であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項６】
前記ロータの回転軸方向の表裏面は、該表裏面の高さレベルよりも低くなるように形成された誘導部を有し、前記毛細管の他端は、前記誘導部に設けられた開口であることを特徴とする請求項５に記載のポンプ。
【請求項７】
前記毛細管の一端の開口には、前記ロータ自身よりも弾性率の大きな部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のポンプ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つに記載のポンプを備えた燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１５４７９９（Ｐ２００７−１５４７９９Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５２５１８（Ｐ２００５−３５２５１８）
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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