JP2018091210A - 水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱を抑制することができる水素ポンプを提供する。【解決手段】燃料電池の循環流路に配置された水素ポンプ２４であって、水素ポンプ２４は、水素を供給するロータ４２、４３が配置されたロータ部６０と、ロータ４２、４３を駆動させるモータ７２が配置されたモータ部７０と、を備え、ロータ部６０は、開口部が形成され、ロータ４２，４３を収容するハウジング４１と、ハウジング４１の開口部を覆うカバー７５と、を備え、カバー７５には、断熱材８０が配置される。【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池の循環流路に配置された水素ポンプに関する。

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、水素ガスを燃料電池に供給する供給路と、燃料電池にて使用されなかった水素オフガスを再び供給路へと戻して燃料電池に再供給するための循環経路とが設けられている。また、この循環経路には、水素オフガスを搬送するための水素ポンプが設けられている。水素ポンプは、内部に配置された一対のロータの回転により、水素オフガスを搬送するようになっている。そして、水素ポンプにより供給路へと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。（例えば、特許文献１参照）。また、水素ポンプは、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱を運転時の熱源として利用している。

特開２００９−１２７５６０号公報

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、水素オフガスと共に水素ポンプ内に進入する。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、水素ポンプ内に水が残留していると、水が凍結してしまい、凍結によりロータの端面と水素ポンプの内壁面とが貼り付いてしまうことがあった。これにより、ロータの回転がロックしてしまうことがあった。

ロータの端面と水素ポンプ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、ロータの端面を水素ポンプの内壁面から引き剥がすために、水素ポンプを十分に昇温させる必要があるが、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムの運転を再開しても、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱よりも放熱の方が大きく、水素ポンプが十分に昇温できないことがあった。

そこで、本発明は、放熱を抑制することができる水素ポンプを提供することを目的とする。

本発明の水素ポンプは、水素を供給するロータが配置されたロータ部と、前記ロータを駆動させるモータが配置されたモータ部と、を備え、前記ロータ部は、開口部が形成され、前記ロータを収容するハウジングと、前記ハウジングの前記開口部を覆うカバーと、を備え、前記カバーには、断熱材が配置されることを特徴とする。

このような構成によれば、水素ポンプの放熱を断熱材によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータの回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプを昇温させることができ、水素ポンプが、ロックすることを抑制できる。

本発明にかかる水素ポンプは、放熱を抑制することができる。

第１実施形態における水素ポンプを適用した燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態における水素ポンプの断面図である。 第１実施形態における水素ポンプの斜視図である。 第１実施形態におけるロータ部の斜視図である。 第２実施形態における水素ポンプの断面図である。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられる。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池２は発熱すると共に空気極側に水を生成する。

酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。コンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２の酸化ガス流路２ａに圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。酸化オフガスは、酸化ガス流路２ａから排出路１２に排出され、エア調圧弁１６及び加湿器１５を経た後、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、水素ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａ１に水素ポンプ２４によって圧送され、水素ガスに合流して再び燃料ガス流路２ｂに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。また、燃料電池２での電気化学反応によって生成された生成水が水素オフガスと共に燃料電池２から循環路２３へと排出され、水素ポンプ２４内に進入する。

図２は、水素ポンプ２４の断面図であり、図３は、水素ポンプ２４の斜視図であり、図４は、ロータ部６０の斜視図である。

水素ポンプ２４は、図２に示すように、水素を供給するロータ４２、４３が配置されたロータ部６０と、ロータ４２、４３を駆動させるモータ７２が配置されたモータ部７０と、断熱材８０と、を備えている。水素ポンプ２４は、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱を運転時の熱源として利用している。

ロータ部６０は、ハウジング４１と、一対のロータ４２、４３と、カバー７５と、を備えている。

ハウジング４１は、筒状であり、一対のロータ４２、４３を収容している。ハウジング４１には、モータ部７０と反対側において、図４に示すように、開口部５５が形成されている。また、ケーシング４１には、吸気口５１と、図示しない排気口と、が形成されている。吸気口５１と排気口とは、ロータ４２、４３を挟んで対向するように位置し、いずれも内部に連通している。水素オフガスは、吸気口５１から内部へと吸入され、各ロータ４２、４３とハウジング４１の内面との間で移動し、排気口から外部へと吐出される。

一対のロータ４２、４３は、図４に示すように、ハウジング４１内において位相を約９０度ずらした状態で配置されている。ロータ４２、４３は、それぞれ、回転軸６１、６２に接続されており、互いに逆向きに回転可能に構成されている。モータ７２の出力が回転軸６１に入力され、ロータ４２が回転すると共に、回転軸６１の回転力がギヤを介して回転軸６２に伝達され、ロータ４３が回転するようになっている。また、ロータ４２、４３が互いに逆向きに同期回転することで、水素オフガスを昇圧するようになっている。

カバー７５は、円形状であり、ハウジング４１に形成された開口部５５を覆うように配置される。カバー７５の外側には、断熱材８０が配置される。

モータ部７０は、ハウジング７１と、モータ７２と、を備えている。

ハウジング７１は、筒状であり、ロータ部６０のハウジング４１と連結しており、内部にモータ７２が配置されている。また、ハウジング７１の内周は、ロータ部６０のハウジング４１の内周よりも小さくなるように形成されている。

モータ７２は、ロータ４２、４３を回転させるための駆動源であり、回転軸６１、６２に駆動を入力する。

断熱材８０は、円形状であり、カバー７５上に配置されている。断熱材８０は、図２に示すように、カバー７５の厚さより厚くなっている。断熱材８０は、例えば、断熱性の高い樹脂などから形成することができる。また、断熱材８０の形状は、円形状に限定されず、例えば、矩形状であってもよい。

以上のような構成によれば、水素ポンプ２４の放熱を断熱材８０によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプ２４を昇温させることができ、水素ポンプ２４が、ロックすることを抑制できる。

また、断熱材８０によって、カバー７５の剛性が上がるため、水素ポンプ２４に進入した生成水がロータ４２とロータ４３との間で押しつぶされ、回転軸６１、６２方向に押し出されるときに生じる衝撃波による騒音を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態における水素ポンプ２４の断面図である。第２実施形態における水素ポンプ２４は、ロータ部６０のハウジング４１の内周面を樹脂材料８１でコーティングしている。樹脂材料８１は、例えば、水素オフガス及び生成水中の腐食生成イオンをイオン交換により吸着するイオン交換樹脂を用いるとよい。

以上のような構成によれば、水素ポンプ２４の放熱を樹脂材料８１によって抑制することができる。よって、氷点下の運転時においても、モータ７２の回転による発熱や水素オフガスの断熱圧縮による発熱により、水素ポンプ２４を昇温させることができ、水素ポンプ２４が、ロックすることを抑制できる。

また、樹脂材料８１としてイオン交換樹脂をコーティングすれば、生成水に含まれる腐食生成イオンによる水素ポンプ２４の腐食や燃料電池２の腐食を抑制することができる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ 酸化ガス流路
２ｂ 燃料ガス流路
３ 酸化ガス配管系
４ 燃料ガス配管系
２３ 循環路
２４ 水素ポンプ
４１ ハウジング
４２ ロータ
４３ ロータ
５５ 開口部
６０ ロータ部
７０ モータ部
７２ モータ
７５ カバー
８０ 断熱材
８１ 樹脂材料

Claims (1)

1. 燃料電池の循環流路に配置された水素ポンプであって、
   前記水素ポンプは、
   水素を供給するロータが配置されたロータ部と、
   前記ロータを駆動させるモータが配置されたモータ部と、
   を備え、
   前記ロータ部は、
   開口部が形成され、前記ロータを収容するハウジングと、
   前記ハウジングの前記開口部を覆うカバーと、
   を備え、
   前記カバーには、断熱材が配置される、水素ポンプ。

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