水素循環用ルーツ式ポンプ
【課題】ロータの中空部内に浸入した水を吸収して、ロータとロータ室とが凍結によって強固に貼り付くことを防止することができる水素循環用ルーツ式ポンプを提供すること。
【解決手段】ハウジングには駆動軸３１及び従動軸３５が支持されているとともに、ロータ室２４が形成され、該ロータ室２４内には駆動ロータ３９及び従動ロータ４０が収容されている。前記駆動ロータ３９には駆動軸３１の軸方向に沿った両端に開口する中空部５０が形成され、従動ロータ４０には従動軸３５の軸方向に沿った両端に開口する中空部５１が形成されている。そして、中空部５０，５１内にはフェルトＦが収容されている。
【解決手段】ハウジングには駆動軸３１及び従動軸３５が支持されているとともに、ロータ室２４が形成され、該ロータ室２４内には駆動ロータ３９及び従動ロータ４０が収容されている。前記駆動ロータ３９には駆動軸３１の軸方向に沿った両端に開口する中空部５０が形成され、従動ロータ４０には従動軸３５の軸方向に沿った両端に開口する中空部５１が形成されている。そして、中空部５０，５１内にはフェルトＦが収容されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの回転によってロータ室内に吸入された水素ガスをロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池システムでは、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素ガス（所謂、水素オフガス）を前記燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられている。この水素循環経路には水素オフガスを搬送させるためのポンプが設けられている。
【０００３】
前記水素循環用のポンプとしては、例えば、ルーツ式ポンプが用いられている。このルーツ式ポンプは、ハウジング内に形成されたロータ室に一対のロータが収容されてなる。前記一対のロータはそれぞれ回転軸に固定されており、回転時のロータの慣性モーメントを低減させ、前記回転軸に作用する負荷を低減させるために、各ロータには中空部が形成されている。そして、上記構成のルーツ式ポンプにおいて、モータの回転に伴い一対のロータが回転されると、水素オフガスが前記ロータ室内に吸入される。さらに、一対のロータの回転により、ロータ室内に吸入された水素オフガスはロータ室外へ吐出される。そして、ルーツ式ポンプのポンプ作用により搬送された水素オフガスは、新たに供給された水素ガスに混合されることにより、燃料電池に再供給される。
【０００４】
しかし、上記燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電に伴って生成された水は、水素オフガスと共に燃料電池から排出され、さらに、水素オフガスと共にロータ室内に導入される。すると、水素オフガス中の水分が、ロータの軸方向端面とロータ室（ハウジング）の内壁面との間隙からロータの中空部内に浸入する。そして、例えば、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止されたとき、前記中空部内に水が残留していると、該水が凝縮して凍結してしまい、該凍結によりロータの軸方向端面とロータ室の内壁面とが貼り付いてしまう。ロータの軸方向端面と、ロータ室の内壁面とが貼り付いた場合は、燃料電池システムの運転再開時に、前記ロータの軸方向端面をロータ室の内壁面から引き剥がすために大トルクが必要となることから、ルーツ式ポンプにおいては、大トルクを発生可能とする大型のモータを搭載する必要が生じ、ルーツ式ポンプが大型化してしまっていた。
【０００５】
そこで、前記中空部内に水が残留することを防止して該水が中空部内で凍結することを未然に防止することで、ロータの軸方向端面とロータ室の内壁面との貼り付きを防止する構成を備えたルーツ式ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示されたルーツ型圧縮機（ルーツ式ポンプ）において、ロータの壁部であって、該ロータの軸方向端部には前記中空部とロータ室とを連通する連通部が形成されている。そして、中空部内に浸入した水は、ロータの回転によって連通部から中空部外へと排出される。その結果、特許文献１のルーツ型圧縮機においては、中空部内に水が残留することが防止され、該水の凍結によるロータの軸方向端面とロータ室の内壁面との強固な貼り付きが防止されるとされている。
【特許文献１】特開２００５−１５５４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示のルーツ型圧縮機において、ロータに前記連通部を形成した構成であっても、ロータの中空部内に浸入した水を前記連通部から中空部外へと完全に排出することができず、中空部内に水が残留してしまう場合がある。また、燃料電池システムが運転状態から停止された時点でロータの中空部内に水が残留していると、ロータの回転が停止されているため、前記連通部からは水が中空部外へと排出されず、該中空部内に水が残留したままとなってしまう。その結果として、上述したように水の凍結により、ロータの軸方向端面とロータ室の内壁面とが強固に貼り付いてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータの中空部内に浸入した水を吸収して、ロータとロータ室とが凍結によって強固に貼り付くことを防止することができる水素循環用ルーツ式ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池で使用されなかった水素ガスを、水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプであり、ハウジングには回転軸が支持されているとともに、ロータ室が形成され、該ロータ室内には山歯及び谷歯を有する一対のロータが互いに噛合可能に収容されており、前記回転軸の回転に伴うロータの回転よって前記ロータ室内に吸入した水素ガスを前記ロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプであって、前記ロータには前記回転軸の軸方向に沿った両端に開口する中空部が形成され、該中空部内には吸水材が設けられている。
【０００９】
これによれば、ロータの中空部内に浸入した水は、該中空部内にて吸水材に吸収されるため、中空部内や中空部におけるロータの開口側とロータ室の内壁面との間に水が溜まることが抑制される。このため、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面との間に多量の水が残留することを抑制することができる。したがって、例えば、低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止され、放置されたとしても水は吸水材内で凍結することとなり、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面との間での水の凍結量をゼロ又は極僅かとし、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面とが強固に貼り付くことを防止することができる。
【００１０】
また、前記中空部を形成するロータの内面のうち前記山歯側に位置する内面と、前記吸水材との間には空隙が形成されていてもよい。
これによれば、ロータの回転によって吸水材から遠心分離された水は、その遠心力によりロータの山歯側に向けて送り出される。このとき、ロータの内面における山歯側と吸水材との間には空隙が形成されているため、遠心分離された水が吸水材に再吸収されることを防止することができ、吸水材から遠心分離された水を開口からロータ外へ効率良く排出することができる。
【００１１】
また、前記空隙を形成するロータの内面には、前記回転軸の軸方向に沿った前記中空部の全長に亘って前記開口まで斜状に延びる傾斜部が形成されていてもよい。
これによれば、ロータの回転によって吸水材から遠心分離され、さらに、遠心力により空隙へ送り出された水を、傾斜面の傾斜によって開口に向けて流下させることができる。したがって、吸水材から遠心分離された水を効率良くロータ外へ排出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ロータの中空部内に浸入した水を吸収して、ロータとロータ室とが凍結によって強固に貼り付くことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を燃料電池システムの水素循環用ルーツ式ポンプに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。まず、燃料電池システム１０は、図２に示すように、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する（発電する）。前記酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１４を備え、コンプレッサ１４は酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器１６が設けられている。
【００１４】
前記水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素ガス（いわゆる水素オフガス）を循環使用するための水素循環用ルーツ式ポンプ１７（以下、単にルーツ式ポンプ１７と記載する）を備えている。すなわち、このルーツ式ポンプ１７は、燃料電池１１で使用されなかった水素オフガスを燃料電池１１へと再び供給するために設けられている。ルーツ式ポンプ１７は燃料電池１１の水素供給ポート（図示せず）に管路１８を介して連結され、燃料電池１１の水素排出ポート（図示せず）に管路１９を介して連結されている。また、水素供給手段１３は、水素源（水素ガス供給源）としての水素タンク２０を備えている。水素タンク２０は途中にレギュレータ（図示せず）を備えた管路２１を介して管路１８に連結されている。そして、ルーツ式ポンプ１７及び管路１８，１９により、燃料電池１１で使用されなかった水素オフガスを水素タンク２０から新たに供給される水素ガスとともに燃料電池１１に供給可能な水素循環経路が構成されている。
【００１５】
次に、ルーツ式ポンプ１７について具体的に説明する。なお、以下の説明においてルーツ式ポンプ１７の「前」「後」は、図１に示す矢印Ｙの方向を前後方向とする。
図１に示すように、本実施形態のルーツ式ポンプ１７のハウジングは、ポンプハウジングＰと、モータハウジングＭとから構成されている。前記ポンプハウジングＰは、ロータハウジング２２の後端（図１では右端）に軸支部材２３が接合固定され、さらに、前記軸支部材２３の後面（図１では右面）にギアハウジング２５が接合固定されて形成されている。そして、ポンプハウジングＰにおいて、ロータハウジング２２と軸支部材２３との間にロータ室２４が囲み形成されている。なお、前記ロータ室２４において、前記ロータハウジング２２の内面と軸支部材２３の内面は、ロータ室２４の内壁面Ｈを形成している。また、ギアハウジング２５と軸支部材２３との間にギア室２６が囲み形成されている。前記モータハウジングＭは、前記ロータハウジング２２の前端（図１では左端）に仕切壁２８を介して接合固定されて形成されている。そして、仕切壁２８とモータハウジングＭとの間にモータ室２９が囲み形成され、このモータ室２９内には図示しない電動モータが収容されている。
【００１６】
ハウジングにおいて、前記モータハウジングＭと、ロータハウジング２２と、軸支部材２３とには、回転軸たる駆動軸３１がベアリング３２を介して回転可能に支持されている。さらに、ロータハウジング２２と、前記軸支部材２３とには、前記駆動軸３１と平行をなす回転軸たる従動軸３５がベアリング３６を介して回転可能に支持されている。
【００１７】
図１及び図３に示すように、前記ロータ室２４内において、駆動軸３１にはロータとしての駆動ロータ３９が取付固定され、従動軸３５にはロータとしての従動ロータ４０が取付固定されている。なお、駆動ロータ３９において駆動軸３１の軸方向に沿った方向を駆動ロータ３９の軸方向とし、従動ロータ４０において従動軸３５の軸方向に沿った方向を従動ロータ４０の軸方向とする。
【００１８】
駆動ロータ３９及び従動ロータ４０は、前記駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の軸方向に直交する断面視が、双葉状（瓢箪状）に形成された二葉型のロータである。そして、駆動ロータ３９には二条の山歯４１が形成され、両山歯４１の間には谷歯４２が形成されている。また、従動ロータ４０には二条の山歯４３が形成され、両山歯４３の間には谷歯４４が形成されている。なお、駆動ロータ３９において、両山歯４１の頂端を通り、かつ、前記駆動軸３１の中心点を通る仮想線Ｌ１の延びる方向を、駆動ロータ３９の長径方向とし、従動ロータ４０において、両山歯４３の頂端を通り、かつ、従動軸３５の中心点を通る仮想線Ｌ２の延びる方向を、従動ロータ４０の長径方向とする。
【００１９】
上記構成の駆動ロータ３９の山歯４１は従動ロータ４０の谷歯４４に僅かなクリアランスを保って噛合するようになっており、従動ロータ４０の山歯４３は駆動ロータ３９の谷歯４２に僅かなクリアランスを保って噛合するようになっている。そして、ロータ室２４内において、駆動ロータ３９と従動ロータ４０とは、山歯４１と谷歯４４、及び谷歯４２と山歯４３とが僅かなクリアランスを保って互いに噛合可能に収容されている。また、駆動ロータ３９において、該駆動ロータ３９の軸方向の両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間、すなわち、駆動ロータ３９の前端面３９ａとロータ室２４の内壁面Ｈとの間、駆動ロータ３９の後端面３９ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとの間には、僅かな隙間Ｔが形成されている。
【００２０】
また、従動ロータ４０において、該従動ロータ４０の軸方向の両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間、すなわち、従動ロータ４０の前端面４０ａとロータ室２４の内壁面Ｈとの間、従動ロータ４０の後端面４０ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとの間には、僅かな隙間Ｔが形成されている。前記隙間Ｔは、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂとロータ室２４の内壁面Ｈ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとが摺接して焼付等が生じることを防止するとともに、水素オフガスの漏れをより小さくするために小さな隙間Ｔとなっている。
【００２１】
図３に示すように、ロータハウジング２２には、前記燃料電池１１から排出された水素オフガスを管路１９からロータ室２４内へ吸入するための吸入ポート２４ａが形成されている。また、ロータハウジング２２において、前記吸入ポート２４ａと対向する位置には、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転運動により水素オフガスをロータ室２４から管路１８へ吐出するための吐出ポート２４ｂが形成されている。また、前記ギア室２６内において、駆動軸３１の後部に固定された駆動ギア４５ａと従動軸３５の後部に固定された従動ギア４５ｂとは噛合連結されている（図１参照）。
【００２２】
そして、上記構成のルーツ式ポンプ１７では、前記電動モータの回転駆動に基づき駆動軸３１が回転すると、駆動ギア４５ａと従動ギア４５ｂとの噛合連結を通じて従動軸３５が駆動軸３１とは異なる方向へ回転する。すると、ロータ室２４内では、駆動ロータ３９と従動ロータ４０とが回転する。
【００２３】
燃料電池１１から排出された水素オフガスは、駆動ロータ３９と従動ロータ４０の回転に伴い管路１９を介して吸入ポート２４ａからロータ室２４内へ吸入される。その後、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の外面と、ロータ室２４の内面とが協働することにより、ロータ室２４内に吸入した水素オフガスはロータ室２４の吐出ポート２４ｂ側へ送り出され、該吐出ポート２４ｂからロータ室２４外の管路１８へ吐出される。その後、管路１８へ吐出された水素オフガスは、水素タンク２０から新たに供給される水素ガスとともに管路１８から燃料電池１１に再供給される。
【００２４】
次に、前記駆動ロータ３９及び従動ロータ４０について詳細に説明する。
図１及び図３に示すように、駆動ロータ３９の長径方向に沿った両山歯４１側には、駆動ロータ３９の軸方向に貫通して中空部５０が形成され、従動ロータ４０の長径方向に沿った両山歯４３側には、従動ロータ４０の軸方向に貫通して中空部５１が形成されている。該中空部５０，５１は、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の軸方向に直交する断面視が、略円状をなすように形成されている。前記中空部５０は駆動ロータ３９の軸方向に沿う両端面（前端面３９ａ及び後端面３９ｂ）が開口するように形成され、中空部５１は従動ロータ４０の軸方向に沿う両端面（前端面４０ａ及び後端面４０ｂ）が開口するように形成されている。
【００２５】
前記中空部５０，５１内には、それぞれ吸水材としてのフェルトＦが収容されている。このフェルトＦは、多孔性の軟質材であって吸水性を有し、かつ、軽量なものである。前記フェルトＦは、駆動ロータ３９の中空部５０において、該中空部５０における駆動軸３１側から山歯４１の先端に向かって駆動ロータ３９の内周面に接合されている。また、前記フェルトＦは、従動ロータ４０において、該中空部５１における従動軸３５側から山歯４３の先端に向かって従動ロータ４０の内周面に接合されている。なお、フェルトＦは、接着剤又はボルトによって駆動ロータ３９の内周面及び従動ロータ４０の内周面に接合されている。
【００２６】
また、駆動ロータ３９の中空部５０内において、その長径方向に沿った両山歯４１側に位置する駆動ロータ３９の内周面（内面）と、フェルトＦにおける両山歯４１側との間には空隙Ｎが形成され、該空隙Ｎを介してフェルトＦと、山歯４１側の駆動ロータ３９の内周面（内面）とは互いに離間している。一方、従動ロータ４０の中空部５１内において、その長径方向に沿った両山歯４３側に位置する従動ロータ４０の内周面（内面）と、フェルトＦにおける山歯４３側との間には空隙Ｎが形成され、該空隙Ｎを介してフェルトＦと、山歯４３側の従動ロータ４０の内周面（内面）とは互いに離間している。
【００２７】
前記空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９の内周面（内面）は、駆動ロータ３９の軸方向に沿った中間位置から前後両開口に向かって徐々に拡径するように形成され、中空部５１を形成する従動ロータ４０の内周面（内面）は、従動ロータ４０の軸方向に沿った中間位置から両開口に向かって徐々に拡径するように形成されている。すなわち、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９の内周面（内面）には、駆動ロータ３９の軸方向に沿った中間位置から前後両開口に向かって斜状に傾斜する傾斜部としての傾斜面５０ａが形成され、該傾斜面５０ａは駆動軸３１の軸方向に沿った中空部５０の全長に亘って延びるように形成されている。また、空隙Ｎを形成する従動ロータ４０の内周面（内面）には、従動ロータ４０の軸方向に沿った中間位置から両開口に向かって斜状に傾斜する傾斜部としての傾斜面５１ａが形成され、該傾斜面５１ａは従動軸３５の軸方向に沿った中空部５１の全長に亘って延びるように形成されている。
【００２８】
さらに、フェルトＦは、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと面一となる状態で中空部５０，５１内に収容されている。このため、駆動ロータ３９内に収容されたフェルトＦにおいて、駆動軸３１の軸方向に沿った前後両端と内壁面Ｈとの間には隙間Ｔが形成され、従動ロータ４０内に収容されたフェルトＦにおいて、従動軸３５の軸方向に沿った前後両端と内壁面Ｈとの間には隙間Ｔが形成されている。
【００２９】
さて、燃料電池システム１０が運転状態にあり、上記構成のルーツ式ポンプ１７が運転状態にあるときには、燃料電池１１から排出された水を含む水素オフガスは、管路１９を介して吸入ポート２４ａからロータ室２４内へ吸入され、吐出ポート２４ｂより吐出される。その際、水素オフガスに含まれる水分の一部は、前記隙間Ｔを介して中空部５０，５１内へ入り込んでいく。ここで、中空部５０，５１内にはフェルトＦが収容されているため、中空部５０，５１内に入り込んだ水は該フェルトＦに吸収される。仮に、ルーツ式ポンプ１７が、その前側が後側より低くなるように傾斜配置され、水が中空部５０，５１の前側へ流下してもフェルトＦに吸収される。そして、フェルトＦに吸収された水は該フェルトＦ全体に亘って浸透され、中空部５０，５１内に水が水滴状態で溜まることが防止される。また、中空部５０，５１内や中空部５０，５１における駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の開口側とロータ室２４の内壁面Ｈとの間に水が水滴状態で溜まることが防止される。
【００３０】
そして、低温環境下（氷点下）にて燃料電池システム１０が運転状態から停止され、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０が停止したとき、中空部５０，５１内に残留した水はフェルトＦに吸収されているため、該フェルトＦ内で凍結する。その結果、低温環境下にて、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈとの間、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとの間での水の凍結量をゼロ又は極僅かとすることができる。すなわち、水が凍結したとしても水量が少ないことからその氷滴を小さくすることができる。その結果、水の凍結により、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとが強固に貼り付くことを防止することができる。したがって、前記低温環境下（氷点下）で燃料電池システム１０の運転を再開させたとしても、各ロータ３９，４０を内壁面Ｈから引き剥がす力がゼロ又は極僅かで済み、該引き剥がしのために電動モータに大トルクを発生させる必要もない。
【００３１】
また、停止状態にある燃料電池システム１０が常温環境に戻った場合には、フェルトＦ内の氷が融けて水となる。そして、この常温環境下で燃料電池システム１０の運転を再開させたとき、フェルトＦに吸収されている水は、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転により遠心力を受け、フェルトＦよりも山歯４１，４３側へ向けて送り出され、空隙Ｎに向かって送り出される。そして、空隙Ｎへ送り出された水は、遠心力と、傾斜面５０ａ，５１ａの傾斜により駆動ロータ３９の前端面３９ａ及び後端面３９ｂ側、及び従動ロータ４０の前端面４０ａ及び後端面４０ｂ側へ流下していく。そして、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転状態では、中空部５０，５１の各開口から駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外へ水が排出される。
【００３２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）駆動ロータ３９の中空部５０内及び従動ロータ４０の中空部５１内にフェルトＦを収容し、該フェルトＦによって中空部５０，５１内の水を吸収させる構成とした。このため、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間に水滴状態で残留する水量をゼロ又は極僅かとすることができる。したがって、低温環境下（氷点下）で燃料電池システム１０が運転を停止したとき、水滴（水）の凍結によって、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈとの間、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとが強固に貼り付くことを防止することができる。その結果として、燃料電池システム１０の運転再開時に、ロータ３９，４０を内壁面Ｈから引き剥がすために電動モータに大トルクを発生させることを必要とせず、該大トルクを発生させるために電動モータを大型化する必要もなくなる。したがって、低温環境下で用いられるルーツ式ポンプ１７であっても体格の大型化を抑制することができる。
【００３３】
（２）駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面と、フェルトＦとの間には空隙Ｎが形成されている。このため、燃料電池システム１０の常温運転時には、フェルトＦに吸収された水が遠心分離されたとき、その水を空隙Ｎに向けて送り出すことができる。そして、空隙Ｎに送り出された水は、中空部５０，５１の開口から駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の外部へ排出することができる。したがって、中空部５０，５１内に残留する水量を極僅かとし、水の凍結によって駆動ロータ３９及び従動ロータ４０と内壁面Ｈとが強固に貼り付く可能性を低くすることができる。
【００３４】
（３）空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面には、傾斜面５０ａ，５１ａが形成されている。そして、フェルトＦから遠心分離され、空隙Ｎへ送り出された水を傾斜面５０ａ，５１ａによって中空部５０，５１の開口側に向けて流下させることができる。したがって、例えば、傾斜面５０ａ，５１ａが形成されず、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面が、駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に平行な場合に比して、中空部５０，５１内の水の駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外への排水性を高めることができる。
【００３５】
（４）フェルトＦは、中空部５０，５１内における駆動軸３１側、及び従動軸３５側に偏って収容され、空隙Ｎは山歯４１，４３側に偏って形成されている。すなわち、空隙Ｎは、フェルトＦに吸収された水が遠心分離によって分離する方向に形成されている。したがって、例えば、フェルトＦが中空部５０，５１内における駆動軸３１及び従動軸３５側に収容されている場合のように、遠心分離された水が再びフェルトＦに吸収されることを抑制することができる。その結果として、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転によりフェルトＦに吸収された水を遠心分離し、その水を効率良く駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外へ排出することができる。
【００３６】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、傾斜面５０ａ，５１ａを削除し、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面の壁面を駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に平行をなすように形成してもよい。
【００３７】
○ 実施形態において、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の両中空部５０，５１を、それぞれ駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の前端面３９ａ，４０ａ側の開口から後端面３９ｂ，４０ｂ側の開口に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。又は、逆に、両中空部５０，５１を、それぞれ駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の後端面３９ｂ，４０ｂ側の開口から前端面３９ａ，４０ａ側の開口に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。
【００３８】
○ 実施形態において、傾斜部として、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面に、中空部５０，５１の両開口に向かって斜状に延びる傾斜溝を形成してもよい。
【００３９】
○ 実施形態において、フェルトＦの内側（中空部５０における駆動軸３１側又は中空部５１における従動軸３５側）にも空隙Ｎが設けられていてもよい。
○ 実施形態において、中空部５０，５１内全体にフェルトＦを収容し、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を中空部５０，５１内に空隙Ｎを形成しない構成としてもよい。
【００４０】
○ 実施形態において、吸水材としてフェルトＦの代わりに、スポンジ、脱脂綿といった軟質多孔材を用いてもよい。
○ 実施形態において、三葉以上の多葉状の駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を用いたルーツ式ポンプ１７としてもよい。
【００４１】
○ 実施形態において、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に複数個、取付固定した多段式のルーツ式ポンプ１７としてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【００４２】
（１）燃料電池に酸素と水素を供給し、発電させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池にて酸素と反応しなかった水素を、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の水素循環用ルーツ式ポンプを用いて前記燃料電池に再び供給することを特徴とする燃料電池システム。
【００４３】
（２）前記傾斜部は、前記ロータにて前記回転軸の軸方向における中間位置からロータの両端側の開口に向けてそれぞれ傾斜して形成されている請求項３に記載に水素循環用ルーツ式ポンプ。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】水素循環用ルーツ式ポンプの断面図。
【図２】燃料電池システムの構成図。
【図３】図１の３−３線断面図。
【符号の説明】
【００４５】
Ｆ…吸水材としてのフェルト、Ｍ…ハウジングを構成するモータハウジング、Ｎ…空隙、Ｐ…ハウジングを構成するポンプハウジング、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１７…水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプ、１８，１９…水素循環経路を構成する管路、２０…水素源としての水素タンク、２４…ロータ室、３１…回転軸としての駆動軸、３５…回転軸としての従動軸、３９…ロータとしての駆動ロータ、４０…ロータとしての従動ロータ、４１，４３…山歯、４２，４４…谷歯、５０，５１…中空部、５０ａ，５１ａ…傾斜部としての傾斜面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの回転によってロータ室内に吸入された水素ガスをロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池システムでは、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素ガス（所謂、水素オフガス）を前記燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられている。この水素循環経路には水素オフガスを搬送させるためのポンプが設けられている。
【０００３】
前記水素循環用のポンプとしては、例えば、ルーツ式ポンプが用いられている。このルーツ式ポンプは、ハウジング内に形成されたロータ室に一対のロータが収容されてなる。前記一対のロータはそれぞれ回転軸に固定されており、回転時のロータの慣性モーメントを低減させ、前記回転軸に作用する負荷を低減させるために、各ロータには中空部が形成されている。そして、上記構成のルーツ式ポンプにおいて、モータの回転に伴い一対のロータが回転されると、水素オフガスが前記ロータ室内に吸入される。さらに、一対のロータの回転により、ロータ室内に吸入された水素オフガスはロータ室外へ吐出される。そして、ルーツ式ポンプのポンプ作用により搬送された水素オフガスは、新たに供給された水素ガスに混合されることにより、燃料電池に再供給される。
【０００４】
しかし、上記燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電に伴って生成された水は、水素オフガスと共に燃料電池から排出され、さらに、水素オフガスと共にロータ室内に導入される。すると、水素オフガス中の水分が、ロータの軸方向端面とロータ室（ハウジング）の内壁面との間隙からロータの中空部内に浸入する。そして、例えば、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止されたとき、前記中空部内に水が残留していると、該水が凝縮して凍結してしまい、該凍結によりロータの軸方向端面とロータ室の内壁面とが貼り付いてしまう。ロータの軸方向端面と、ロータ室の内壁面とが貼り付いた場合は、燃料電池システムの運転再開時に、前記ロータの軸方向端面をロータ室の内壁面から引き剥がすために大トルクが必要となることから、ルーツ式ポンプにおいては、大トルクを発生可能とする大型のモータを搭載する必要が生じ、ルーツ式ポンプが大型化してしまっていた。
【０００５】
そこで、前記中空部内に水が残留することを防止して該水が中空部内で凍結することを未然に防止することで、ロータの軸方向端面とロータ室の内壁面との貼り付きを防止する構成を備えたルーツ式ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示されたルーツ型圧縮機（ルーツ式ポンプ）において、ロータの壁部であって、該ロータの軸方向端部には前記中空部とロータ室とを連通する連通部が形成されている。そして、中空部内に浸入した水は、ロータの回転によって連通部から中空部外へと排出される。その結果、特許文献１のルーツ型圧縮機においては、中空部内に水が残留することが防止され、該水の凍結によるロータの軸方向端面とロータ室の内壁面との強固な貼り付きが防止されるとされている。
【特許文献１】特開２００５−１５５４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示のルーツ型圧縮機において、ロータに前記連通部を形成した構成であっても、ロータの中空部内に浸入した水を前記連通部から中空部外へと完全に排出することができず、中空部内に水が残留してしまう場合がある。また、燃料電池システムが運転状態から停止された時点でロータの中空部内に水が残留していると、ロータの回転が停止されているため、前記連通部からは水が中空部外へと排出されず、該中空部内に水が残留したままとなってしまう。その結果として、上述したように水の凍結により、ロータの軸方向端面とロータ室の内壁面とが強固に貼り付いてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータの中空部内に浸入した水を吸収して、ロータとロータ室とが凍結によって強固に貼り付くことを防止することができる水素循環用ルーツ式ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池で使用されなかった水素ガスを、水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプであり、ハウジングには回転軸が支持されているとともに、ロータ室が形成され、該ロータ室内には山歯及び谷歯を有する一対のロータが互いに噛合可能に収容されており、前記回転軸の回転に伴うロータの回転よって前記ロータ室内に吸入した水素ガスを前記ロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプであって、前記ロータには前記回転軸の軸方向に沿った両端に開口する中空部が形成され、該中空部内には吸水材が設けられている。
【０００９】
これによれば、ロータの中空部内に浸入した水は、該中空部内にて吸水材に吸収されるため、中空部内や中空部におけるロータの開口側とロータ室の内壁面との間に水が溜まることが抑制される。このため、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面との間に多量の水が残留することを抑制することができる。したがって、例えば、低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止され、放置されたとしても水は吸水材内で凍結することとなり、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面との間での水の凍結量をゼロ又は極僅かとし、ロータの軸方向に沿った端面とロータ室の内壁面とが強固に貼り付くことを防止することができる。
【００１０】
また、前記中空部を形成するロータの内面のうち前記山歯側に位置する内面と、前記吸水材との間には空隙が形成されていてもよい。
これによれば、ロータの回転によって吸水材から遠心分離された水は、その遠心力によりロータの山歯側に向けて送り出される。このとき、ロータの内面における山歯側と吸水材との間には空隙が形成されているため、遠心分離された水が吸水材に再吸収されることを防止することができ、吸水材から遠心分離された水を開口からロータ外へ効率良く排出することができる。
【００１１】
また、前記空隙を形成するロータの内面には、前記回転軸の軸方向に沿った前記中空部の全長に亘って前記開口まで斜状に延びる傾斜部が形成されていてもよい。
これによれば、ロータの回転によって吸水材から遠心分離され、さらに、遠心力により空隙へ送り出された水を、傾斜面の傾斜によって開口に向けて流下させることができる。したがって、吸水材から遠心分離された水を効率良くロータ外へ排出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ロータの中空部内に浸入した水を吸収して、ロータとロータ室とが凍結によって強固に貼り付くことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を燃料電池システムの水素循環用ルーツ式ポンプに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。まず、燃料電池システム１０は、図２に示すように、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する（発電する）。前記酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１４を備え、コンプレッサ１４は酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器１６が設けられている。
【００１４】
前記水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素ガス（いわゆる水素オフガス）を循環使用するための水素循環用ルーツ式ポンプ１７（以下、単にルーツ式ポンプ１７と記載する）を備えている。すなわち、このルーツ式ポンプ１７は、燃料電池１１で使用されなかった水素オフガスを燃料電池１１へと再び供給するために設けられている。ルーツ式ポンプ１７は燃料電池１１の水素供給ポート（図示せず）に管路１８を介して連結され、燃料電池１１の水素排出ポート（図示せず）に管路１９を介して連結されている。また、水素供給手段１３は、水素源（水素ガス供給源）としての水素タンク２０を備えている。水素タンク２０は途中にレギュレータ（図示せず）を備えた管路２１を介して管路１８に連結されている。そして、ルーツ式ポンプ１７及び管路１８，１９により、燃料電池１１で使用されなかった水素オフガスを水素タンク２０から新たに供給される水素ガスとともに燃料電池１１に供給可能な水素循環経路が構成されている。
【００１５】
次に、ルーツ式ポンプ１７について具体的に説明する。なお、以下の説明においてルーツ式ポンプ１７の「前」「後」は、図１に示す矢印Ｙの方向を前後方向とする。
図１に示すように、本実施形態のルーツ式ポンプ１７のハウジングは、ポンプハウジングＰと、モータハウジングＭとから構成されている。前記ポンプハウジングＰは、ロータハウジング２２の後端（図１では右端）に軸支部材２３が接合固定され、さらに、前記軸支部材２３の後面（図１では右面）にギアハウジング２５が接合固定されて形成されている。そして、ポンプハウジングＰにおいて、ロータハウジング２２と軸支部材２３との間にロータ室２４が囲み形成されている。なお、前記ロータ室２４において、前記ロータハウジング２２の内面と軸支部材２３の内面は、ロータ室２４の内壁面Ｈを形成している。また、ギアハウジング２５と軸支部材２３との間にギア室２６が囲み形成されている。前記モータハウジングＭは、前記ロータハウジング２２の前端（図１では左端）に仕切壁２８を介して接合固定されて形成されている。そして、仕切壁２８とモータハウジングＭとの間にモータ室２９が囲み形成され、このモータ室２９内には図示しない電動モータが収容されている。
【００１６】
ハウジングにおいて、前記モータハウジングＭと、ロータハウジング２２と、軸支部材２３とには、回転軸たる駆動軸３１がベアリング３２を介して回転可能に支持されている。さらに、ロータハウジング２２と、前記軸支部材２３とには、前記駆動軸３１と平行をなす回転軸たる従動軸３５がベアリング３６を介して回転可能に支持されている。
【００１７】
図１及び図３に示すように、前記ロータ室２４内において、駆動軸３１にはロータとしての駆動ロータ３９が取付固定され、従動軸３５にはロータとしての従動ロータ４０が取付固定されている。なお、駆動ロータ３９において駆動軸３１の軸方向に沿った方向を駆動ロータ３９の軸方向とし、従動ロータ４０において従動軸３５の軸方向に沿った方向を従動ロータ４０の軸方向とする。
【００１８】
駆動ロータ３９及び従動ロータ４０は、前記駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の軸方向に直交する断面視が、双葉状（瓢箪状）に形成された二葉型のロータである。そして、駆動ロータ３９には二条の山歯４１が形成され、両山歯４１の間には谷歯４２が形成されている。また、従動ロータ４０には二条の山歯４３が形成され、両山歯４３の間には谷歯４４が形成されている。なお、駆動ロータ３９において、両山歯４１の頂端を通り、かつ、前記駆動軸３１の中心点を通る仮想線Ｌ１の延びる方向を、駆動ロータ３９の長径方向とし、従動ロータ４０において、両山歯４３の頂端を通り、かつ、従動軸３５の中心点を通る仮想線Ｌ２の延びる方向を、従動ロータ４０の長径方向とする。
【００１９】
上記構成の駆動ロータ３９の山歯４１は従動ロータ４０の谷歯４４に僅かなクリアランスを保って噛合するようになっており、従動ロータ４０の山歯４３は駆動ロータ３９の谷歯４２に僅かなクリアランスを保って噛合するようになっている。そして、ロータ室２４内において、駆動ロータ３９と従動ロータ４０とは、山歯４１と谷歯４４、及び谷歯４２と山歯４３とが僅かなクリアランスを保って互いに噛合可能に収容されている。また、駆動ロータ３９において、該駆動ロータ３９の軸方向の両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間、すなわち、駆動ロータ３９の前端面３９ａとロータ室２４の内壁面Ｈとの間、駆動ロータ３９の後端面３９ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとの間には、僅かな隙間Ｔが形成されている。
【００２０】
また、従動ロータ４０において、該従動ロータ４０の軸方向の両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間、すなわち、従動ロータ４０の前端面４０ａとロータ室２４の内壁面Ｈとの間、従動ロータ４０の後端面４０ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとの間には、僅かな隙間Ｔが形成されている。前記隙間Ｔは、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂとロータ室２４の内壁面Ｈ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂとロータ室２４の内壁面Ｈとが摺接して焼付等が生じることを防止するとともに、水素オフガスの漏れをより小さくするために小さな隙間Ｔとなっている。
【００２１】
図３に示すように、ロータハウジング２２には、前記燃料電池１１から排出された水素オフガスを管路１９からロータ室２４内へ吸入するための吸入ポート２４ａが形成されている。また、ロータハウジング２２において、前記吸入ポート２４ａと対向する位置には、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転運動により水素オフガスをロータ室２４から管路１８へ吐出するための吐出ポート２４ｂが形成されている。また、前記ギア室２６内において、駆動軸３１の後部に固定された駆動ギア４５ａと従動軸３５の後部に固定された従動ギア４５ｂとは噛合連結されている（図１参照）。
【００２２】
そして、上記構成のルーツ式ポンプ１７では、前記電動モータの回転駆動に基づき駆動軸３１が回転すると、駆動ギア４５ａと従動ギア４５ｂとの噛合連結を通じて従動軸３５が駆動軸３１とは異なる方向へ回転する。すると、ロータ室２４内では、駆動ロータ３９と従動ロータ４０とが回転する。
【００２３】
燃料電池１１から排出された水素オフガスは、駆動ロータ３９と従動ロータ４０の回転に伴い管路１９を介して吸入ポート２４ａからロータ室２４内へ吸入される。その後、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の外面と、ロータ室２４の内面とが協働することにより、ロータ室２４内に吸入した水素オフガスはロータ室２４の吐出ポート２４ｂ側へ送り出され、該吐出ポート２４ｂからロータ室２４外の管路１８へ吐出される。その後、管路１８へ吐出された水素オフガスは、水素タンク２０から新たに供給される水素ガスとともに管路１８から燃料電池１１に再供給される。
【００２４】
次に、前記駆動ロータ３９及び従動ロータ４０について詳細に説明する。
図１及び図３に示すように、駆動ロータ３９の長径方向に沿った両山歯４１側には、駆動ロータ３９の軸方向に貫通して中空部５０が形成され、従動ロータ４０の長径方向に沿った両山歯４３側には、従動ロータ４０の軸方向に貫通して中空部５１が形成されている。該中空部５０，５１は、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の軸方向に直交する断面視が、略円状をなすように形成されている。前記中空部５０は駆動ロータ３９の軸方向に沿う両端面（前端面３９ａ及び後端面３９ｂ）が開口するように形成され、中空部５１は従動ロータ４０の軸方向に沿う両端面（前端面４０ａ及び後端面４０ｂ）が開口するように形成されている。
【００２５】
前記中空部５０，５１内には、それぞれ吸水材としてのフェルトＦが収容されている。このフェルトＦは、多孔性の軟質材であって吸水性を有し、かつ、軽量なものである。前記フェルトＦは、駆動ロータ３９の中空部５０において、該中空部５０における駆動軸３１側から山歯４１の先端に向かって駆動ロータ３９の内周面に接合されている。また、前記フェルトＦは、従動ロータ４０において、該中空部５１における従動軸３５側から山歯４３の先端に向かって従動ロータ４０の内周面に接合されている。なお、フェルトＦは、接着剤又はボルトによって駆動ロータ３９の内周面及び従動ロータ４０の内周面に接合されている。
【００２６】
また、駆動ロータ３９の中空部５０内において、その長径方向に沿った両山歯４１側に位置する駆動ロータ３９の内周面（内面）と、フェルトＦにおける両山歯４１側との間には空隙Ｎが形成され、該空隙Ｎを介してフェルトＦと、山歯４１側の駆動ロータ３９の内周面（内面）とは互いに離間している。一方、従動ロータ４０の中空部５１内において、その長径方向に沿った両山歯４３側に位置する従動ロータ４０の内周面（内面）と、フェルトＦにおける山歯４３側との間には空隙Ｎが形成され、該空隙Ｎを介してフェルトＦと、山歯４３側の従動ロータ４０の内周面（内面）とは互いに離間している。
【００２７】
前記空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９の内周面（内面）は、駆動ロータ３９の軸方向に沿った中間位置から前後両開口に向かって徐々に拡径するように形成され、中空部５１を形成する従動ロータ４０の内周面（内面）は、従動ロータ４０の軸方向に沿った中間位置から両開口に向かって徐々に拡径するように形成されている。すなわち、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９の内周面（内面）には、駆動ロータ３９の軸方向に沿った中間位置から前後両開口に向かって斜状に傾斜する傾斜部としての傾斜面５０ａが形成され、該傾斜面５０ａは駆動軸３１の軸方向に沿った中空部５０の全長に亘って延びるように形成されている。また、空隙Ｎを形成する従動ロータ４０の内周面（内面）には、従動ロータ４０の軸方向に沿った中間位置から両開口に向かって斜状に傾斜する傾斜部としての傾斜面５１ａが形成され、該傾斜面５１ａは従動軸３５の軸方向に沿った中空部５１の全長に亘って延びるように形成されている。
【００２８】
さらに、フェルトＦは、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと面一となる状態で中空部５０，５１内に収容されている。このため、駆動ロータ３９内に収容されたフェルトＦにおいて、駆動軸３１の軸方向に沿った前後両端と内壁面Ｈとの間には隙間Ｔが形成され、従動ロータ４０内に収容されたフェルトＦにおいて、従動軸３５の軸方向に沿った前後両端と内壁面Ｈとの間には隙間Ｔが形成されている。
【００２９】
さて、燃料電池システム１０が運転状態にあり、上記構成のルーツ式ポンプ１７が運転状態にあるときには、燃料電池１１から排出された水を含む水素オフガスは、管路１９を介して吸入ポート２４ａからロータ室２４内へ吸入され、吐出ポート２４ｂより吐出される。その際、水素オフガスに含まれる水分の一部は、前記隙間Ｔを介して中空部５０，５１内へ入り込んでいく。ここで、中空部５０，５１内にはフェルトＦが収容されているため、中空部５０，５１内に入り込んだ水は該フェルトＦに吸収される。仮に、ルーツ式ポンプ１７が、その前側が後側より低くなるように傾斜配置され、水が中空部５０，５１の前側へ流下してもフェルトＦに吸収される。そして、フェルトＦに吸収された水は該フェルトＦ全体に亘って浸透され、中空部５０，５１内に水が水滴状態で溜まることが防止される。また、中空部５０，５１内や中空部５０，５１における駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の開口側とロータ室２４の内壁面Ｈとの間に水が水滴状態で溜まることが防止される。
【００３０】
そして、低温環境下（氷点下）にて燃料電池システム１０が運転状態から停止され、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０が停止したとき、中空部５０，５１内に残留した水はフェルトＦに吸収されているため、該フェルトＦ内で凍結する。その結果、低温環境下にて、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈとの間、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとの間での水の凍結量をゼロ又は極僅かとすることができる。すなわち、水が凍結したとしても水量が少ないことからその氷滴を小さくすることができる。その結果、水の凍結により、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈ、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとが強固に貼り付くことを防止することができる。したがって、前記低温環境下（氷点下）で燃料電池システム１０の運転を再開させたとしても、各ロータ３９，４０を内壁面Ｈから引き剥がす力がゼロ又は極僅かで済み、該引き剥がしのために電動モータに大トルクを発生させる必要もない。
【００３１】
また、停止状態にある燃料電池システム１０が常温環境に戻った場合には、フェルトＦ内の氷が融けて水となる。そして、この常温環境下で燃料電池システム１０の運転を再開させたとき、フェルトＦに吸収されている水は、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転により遠心力を受け、フェルトＦよりも山歯４１，４３側へ向けて送り出され、空隙Ｎに向かって送り出される。そして、空隙Ｎへ送り出された水は、遠心力と、傾斜面５０ａ，５１ａの傾斜により駆動ロータ３９の前端面３９ａ及び後端面３９ｂ側、及び従動ロータ４０の前端面４０ａ及び後端面４０ｂ側へ流下していく。そして、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転状態では、中空部５０，５１の各開口から駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外へ水が排出される。
【００３２】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）駆動ロータ３９の中空部５０内及び従動ロータ４０の中空部５１内にフェルトＦを収容し、該フェルトＦによって中空部５０，５１内の水を吸収させる構成とした。このため、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間に水滴状態で残留する水量をゼロ又は極僅かとすることができる。したがって、低温環境下（氷点下）で燃料電池システム１０が運転を停止したとき、水滴（水）の凍結によって、駆動ロータ３９の前後両端面３９ａ，３９ｂと内壁面Ｈとの間、及び従動ロータ４０の前後両端面４０ａ，４０ｂと内壁面Ｈとが強固に貼り付くことを防止することができる。その結果として、燃料電池システム１０の運転再開時に、ロータ３９，４０を内壁面Ｈから引き剥がすために電動モータに大トルクを発生させることを必要とせず、該大トルクを発生させるために電動モータを大型化する必要もなくなる。したがって、低温環境下で用いられるルーツ式ポンプ１７であっても体格の大型化を抑制することができる。
【００３３】
（２）駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面と、フェルトＦとの間には空隙Ｎが形成されている。このため、燃料電池システム１０の常温運転時には、フェルトＦに吸収された水が遠心分離されたとき、その水を空隙Ｎに向けて送り出すことができる。そして、空隙Ｎに送り出された水は、中空部５０，５１の開口から駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の外部へ排出することができる。したがって、中空部５０，５１内に残留する水量を極僅かとし、水の凍結によって駆動ロータ３９及び従動ロータ４０と内壁面Ｈとが強固に貼り付く可能性を低くすることができる。
【００３４】
（３）空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面には、傾斜面５０ａ，５１ａが形成されている。そして、フェルトＦから遠心分離され、空隙Ｎへ送り出された水を傾斜面５０ａ，５１ａによって中空部５０，５１の開口側に向けて流下させることができる。したがって、例えば、傾斜面５０ａ，５１ａが形成されず、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面が、駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に平行な場合に比して、中空部５０，５１内の水の駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外への排水性を高めることができる。
【００３５】
（４）フェルトＦは、中空部５０，５１内における駆動軸３１側、及び従動軸３５側に偏って収容され、空隙Ｎは山歯４１，４３側に偏って形成されている。すなわち、空隙Ｎは、フェルトＦに吸収された水が遠心分離によって分離する方向に形成されている。したがって、例えば、フェルトＦが中空部５０，５１内における駆動軸３１及び従動軸３５側に収容されている場合のように、遠心分離された水が再びフェルトＦに吸収されることを抑制することができる。その結果として、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の回転によりフェルトＦに吸収された水を遠心分離し、その水を効率良く駆動ロータ３９及び従動ロータ４０外へ排出することができる。
【００３６】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、傾斜面５０ａ，５１ａを削除し、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面の壁面を駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に平行をなすように形成してもよい。
【００３７】
○ 実施形態において、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の両中空部５０，５１を、それぞれ駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の前端面３９ａ，４０ａ側の開口から後端面３９ｂ，４０ｂ側の開口に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。又は、逆に、両中空部５０，５１を、それぞれ駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の後端面３９ｂ，４０ｂ側の開口から前端面３９ａ，４０ａ側の開口に向かって縮径するテーパ状に形成してもよい。
【００３８】
○ 実施形態において、傾斜部として、空隙Ｎを形成する駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の内周面に、中空部５０，５１の両開口に向かって斜状に延びる傾斜溝を形成してもよい。
【００３９】
○ 実施形態において、フェルトＦの内側（中空部５０における駆動軸３１側又は中空部５１における従動軸３５側）にも空隙Ｎが設けられていてもよい。
○ 実施形態において、中空部５０，５１内全体にフェルトＦを収容し、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を中空部５０，５１内に空隙Ｎを形成しない構成としてもよい。
【００４０】
○ 実施形態において、吸水材としてフェルトＦの代わりに、スポンジ、脱脂綿といった軟質多孔材を用いてもよい。
○ 実施形態において、三葉以上の多葉状の駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を用いたルーツ式ポンプ１７としてもよい。
【００４１】
○ 実施形態において、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を駆動軸３１及び従動軸３５の軸方向に複数個、取付固定した多段式のルーツ式ポンプ１７としてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
【００４２】
（１）燃料電池に酸素と水素を供給し、発電させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池にて酸素と反応しなかった水素を、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の水素循環用ルーツ式ポンプを用いて前記燃料電池に再び供給することを特徴とする燃料電池システム。
【００４３】
（２）前記傾斜部は、前記ロータにて前記回転軸の軸方向における中間位置からロータの両端側の開口に向けてそれぞれ傾斜して形成されている請求項３に記載に水素循環用ルーツ式ポンプ。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】水素循環用ルーツ式ポンプの断面図。
【図２】燃料電池システムの構成図。
【図３】図１の３−３線断面図。
【符号の説明】
【００４５】
Ｆ…吸水材としてのフェルト、Ｍ…ハウジングを構成するモータハウジング、Ｎ…空隙、Ｐ…ハウジングを構成するポンプハウジング、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１７…水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプ、１８，１９…水素循環経路を構成する管路、２０…水素源としての水素タンク、２４…ロータ室、３１…回転軸としての駆動軸、３５…回転軸としての従動軸、３９…ロータとしての駆動ロータ、４０…ロータとしての従動ロータ、４１，４３…山歯、４２，４４…谷歯、５０，５１…中空部、５０ａ，５１ａ…傾斜部としての傾斜面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で使用されなかった水素ガスを、水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプであり、
ハウジングには回転軸が支持されているとともに、ロータ室が形成され、該ロータ室内には山歯及び谷歯を有する一対のロータが互いに噛合可能に収容されており、前記回転軸の回転に伴うロータの回転よって前記ロータ室内に吸入した水素ガスを前記ロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプであって、
前記ロータには前記回転軸の軸方向に沿った両端に開口する中空部が形成され、該中空部内には吸水材が設けられていることを特徴とする水素循環用ルーツ式ポンプ。
【請求項２】
前記中空部を形成するロータの内面のうち前記山歯側に位置する内面と、前記吸水材との間には空隙が形成されている請求項１に記載の水素循環用ルーツ式ポンプ。
【請求項３】
前記空隙を形成するロータの内面には、前記回転軸の軸方向に沿った前記中空部の全長に亘って前記開口まで斜状に延びる傾斜部が形成されている請求項２に記載の水素循環用ルーツ式ポンプ。
【請求項１】
燃料電池で使用されなかった水素ガスを、水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環用ルーツ式ポンプであり、
ハウジングには回転軸が支持されているとともに、ロータ室が形成され、該ロータ室内には山歯及び谷歯を有する一対のロータが互いに噛合可能に収容されており、前記回転軸の回転に伴うロータの回転よって前記ロータ室内に吸入した水素ガスを前記ロータ室外へ吐出する水素循環用ルーツ式ポンプであって、
前記ロータには前記回転軸の軸方向に沿った両端に開口する中空部が形成され、該中空部内には吸水材が設けられていることを特徴とする水素循環用ルーツ式ポンプ。
【請求項２】
前記中空部を形成するロータの内面のうち前記山歯側に位置する内面と、前記吸水材との間には空隙が形成されている請求項１に記載の水素循環用ルーツ式ポンプ。
【請求項３】
前記空隙を形成するロータの内面には、前記回転軸の軸方向に沿った前記中空部の全長に亘って前記開口まで斜状に延びる傾斜部が形成されている請求項２に記載の水素循環用ルーツ式ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１６２６２８（Ｐ２００７−１６２６２８Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６２２４３（Ｐ２００５−３６２２４３）
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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