(57)【要約】【課題】  ポンプとこのポンプを駆動するためのモータとを備えたポンプユニットにおいて、信頼性が高く小型であり、被搬送流体の流量の制御が容易であると共に、前記ポンプからの被搬送流体の漏れを無くすことができるポンプユニットを提供する。【解決手段】  回転容積式のポンプ２３とこのポンプ２３を駆動するためのモータ２１とを備えたポンプユニット１において、前記ポンプ２３の入力軸３３と前記モータ２１の回転子３１とが、閉ざされた空間内に設けられている。【選択図】図１
2006070861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転容積式のポンプとこのポンプを駆動するためのモータとを備えたポンプユニットにおいて、
前記ポンプの入力軸と前記モータの回転子とが、閉ざされた空間内に設けられていることを特徴とするポンプユニット。
【請求項２】
回転容積式のポンプとモータとを備えたポンプユニットにおいて、
前記ポンプの筐体の外部に突出している前記ポンプの入力軸と；
前記入力軸を回転駆動する前記モータの回転子と；
前記入力軸と前記回転子とが閉ざされた空間内に存在するように、前記入力軸と前記回転子とを、前記ポンプの筐体と共に覆っているキャンと；
前記キャンの外側に設けられている前記モータの固定子と；
を有することを特徴とするポンプユニット。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプユニットおいて、
前記回転子は、前記入力軸に一体的に設けられており、
前記回転子の軸受けを、前記ポンプの回転体を支持している軸受けが兼ねていることを特徴とするポンプユニット。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のポンプユニットにおいて、
前記モータは、前記回転子に永久磁石を備えたモータまたは前記回転子に誘導電流を発生させて前記回転子が回転する構成のモータであることを特徴とするポンプユニット。
【請求項５】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに再び供給するためのポンプユニットとを有する燃料電池システムにおいて、
前記ポンプユニットは、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のポンプユニットであることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプユニットおよび燃料電池システムに係り、特に、キャンドモータで駆動するポンプを備えたポンプユニットおよびこのポンプユニットを用いて燃料ガスを再循環する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイヤフラム式ポンプ、ベローズ式ポンプ、またはジェットポンプを用いて、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する構成の燃料電池システムが知られている（たとえば特許文献１参照）
【特許文献１】特開平９−２５９９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ダイヤフラム式ポンプを用いた燃料電池システムでは、ダイヤフラムを備えているためにポンプの小型化が難しいという欠点がある。ベローズ式ポンプを用いた燃料電池システムでは、ポンプの構造が複雑であり、ポンプの信頼性に欠けるという欠点がある。さらに、ジェットポンプを用いた燃料電池システムでは、燃料の流量を制御することが難しいという欠点がある。
【０００４】
そこで、前記各欠点を改善すべく、図５に示すように、ベーンポンプ等の回転容積式のポンプ１０２を備えたポンプユニット１００を用いて、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する方法が考えられる。
【０００５】
図５に示すポンプユニット１００は、ポンプ１０２を駆動するためのモータ１０４を備えており、前記ポンプ１０２の入力軸と前記モータ１０４の出力軸とをカップリング１０６を用いて互いに連結してある。
【０００６】
前記ポンプユニット１００を用いれば、ポンプユニットを簡素化することができると共に小型することができ、ポンプの回転を変えることによって燃料の流量を正確に制御することが可能になる。
【０００７】
しかし、前記回転容積式のポンプ１０２においては、このポンプの内部からこのポンプの入力軸のまわりを伝わって燃料ガスが漏れ出すおそれがあるという問題がある。すなわち、前記ポンプ１０２では、リップシール等のシール部材が前記ポンプの入力軸と前記ポンプ筐体との間に設けられているが、たとえば長年の使用により前記シール部材等が磨耗すること等が考えられる。
【０００８】
なお、前記問題は、水素ガス以外の流体を搬送するポンプユニット（燃料電池システム以外の装置に使用されるポンプユニット）においても発生する問題である。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプとこのポンプを駆動するためのモータとを備えたポンプユニットにおいて、信頼性が高く小型であり、被搬送流体の流量の制御が容易であると共に、前記ポンプからの被搬送流体の漏れを無くすことができるポンプユニットを提供することを目的とする。また、前記ポンプユニットを用いて、燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができる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】
【００１０】
課題を解決するための第１の手段は、回転容積式のポンプとこのポンプを駆動するためのモータとを備えたポンプユニットにおいて、前記ポンプの入力軸と前記モータの回転子とが、閉ざされた空間内に設けられているポンプユニットである。
【００１１】
課題を解決するための第２の手段は、回転容積式のポンプとモータとを備えたポンプユニットにおいて、前記ポンプの筐体の外部に突出している前記ポンプの入力軸と、前記入力軸を回転駆動する前記モータの回転子と、前記入力軸と前記回転子とが閉ざされた空間内に存在するように、前記入力軸と前記回転子とを、前記ポンプの筐体と共に覆っているキャンと、前記キャンの外側に設けられている前記モータの固定子とを有するポンプユニットである。
【００１２】
課題を解決するための第３の手段は、課題を解決するための第２の手段に記載のポンプユニットおいて、前記回転子は、前記入力軸に一体的に設けられており、前記回転子の軸受けを、前記ポンプの回転体を支持している軸受けが兼ねているポンプユニットである。
【００１３】
課題を解決するための第４の手段は、課題を解決するための第１の手段〜課題を解決するための第３の手段のいずれかの手段に記載のポンプユニットにおいて、前記モータは、前記回転子に永久磁石を備えたモータまたは前記回転子に誘導電流を発生させて前記回転子が回転する構成のモータであるポンプユニットである。
【００１４】
課題を解決するための第５の手段は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに再び供給するためのポンプユニットとを有する燃料電池システムにおいて、前記ポンプユニットは、課題を解決するための第１の手段〜課題を解決するための第４の手段のいずれかの手段に記載のポンプユニットである燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１〜請求項４に記載の発明によれば、前記ポンプからの被搬送流体の漏れを無くすことができ、特に、ポンプの回転軸の摺動部をシールする場合に対して、摺動しないキャンの固定フランジ部で被搬送流体をシールすることにより、ポンプの信頼性が格段に向上するという効果を奏する。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池スタックと前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに再び供給するためのポンプユニットとを有する燃料電池システムにおいて、燃料ガスの漏れを防ぎ燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第１の実施形態］
図1は、本発明の第１の実施形態に係るポンプユニット１を用いた燃料電池システム３の概略構成を示す図である。
【００１８】
燃料電池システム３は、燃料電池スタック５を備えている。この燃料電池スタック５は、電解質膜の一方の側に形成されている酸化剤極に酸化剤ガス（たとえば酸素ガスＯ２）が供給され他方の側に形成されている燃料極に燃料（たとえば水素ガスＨ２）が供給されることによって発電をするものである。
【００１９】
また、燃料電池システム３には、水素ガスを貯蔵している水素タンク７が設けられており、この水素タンク７から前記燃料電池スタック５へガスを供給するためのガス供給路９が、前記水素タンク７と前記燃料電池スタック５との間に設けられている。
【００２０】
前記水素タンク７と前記燃料電池スタック５との間における前記ガス供給路９の中間部には、前記水素タンク７から出てくる水素ガスの圧力を調整するためのレギュレータ１１が設けられており、このレギュレータ１１と前記燃料電池スタック５との間における前記ガス供給路９の中間部には、燃料電池スタック５に供給されるガスの圧力を検出するための圧力センサ１３が設けられている。
【００２１】
また、前記ガス供給路９によって前記燃料電池スタック５に供給されたガスを、前記燃料電池スタック５から排出するためのガス排出路１５が、前記燃料電池スタック５から延出しており、このガス排出路１５の下流側には、バルブ１７が設けられている。
【００２２】
前記ガス排出路１５に排出された水素ガスを、再び前記燃料電池スタック５に供給し再使用するために、前記燃料電池スタック５と前記バルブ１７との間における前記ガス排出路１５からは、ガス循環路１９が枝分かれして延出している。
【００２３】
そして、前記ガス循環路１９の他の端部は、前記レギュレータ１１と前記圧力センサ１３との間における前記ガス供給路９に接続されている。
【００２４】
また、前記ガス循環路１９の中間部には、電動モータでベーンポンプを駆動する構成のポンプユニット１が設けられており、常態では前記バルブ１７を閉じておいて、前記燃料電池スタック５から排出されたガスが、前記ガス循環路１９を通って、前記ポンプユニット１により、前記燃料電池スタック５に再び供給されるようになっている。
【００２５】
なお、前記ガス循環路１９中に水素ガス以外のガスが溜まった場合（水素検出センサ等により検知し、バルブ１７を開いて、ガス循環路１９のガスを排出するようになっている。
【００２６】
さらに燃料電池システム３には、このシステム全体を制御する制御装置が設けられており、この制御装置の制御の下、前記圧力センサ１３が検出したガスの圧力等に応じて、前記ポンプユニット１のベーンポンプの回転数を制御し前記燃料電池スタック５に再び供給されるガスの量を制御することができるようになっている。
【００２７】
なお、図１では、酸化剤ガスの供給路等の表示を省略してある。
【００２８】
ここで、前記ポンプユニット１について詳しく説明する。
【００２９】
図２は、ポンプユニット１の概略構成を示す断面図であり、図３は図２におけるＩＩＩＡ―ＩＩＩＢ断面を示す図である。
【００３０】
前記ポンプユニット１は、一端部側にモータ２１を備え、このモータ２１によって駆動するベーンポンプ２３を他端部側に備えていると共に、閉ざされた空間内（前記ベーンポンプ２３が搬送するガスの吸入口２５、前記ベーンポンプ２３が搬送するガスの排出口２７を除いて、外部から遮断されている空間内）に、前記ベーンポンプ２３の回転体２９と前記モータ２１の回転子３１とが設けられている。
【００３１】
さらに説明すると、前記ベーンポンプ２３の入力軸３３は、前記ベーンポンプ２３の筐体３５から、前記筐体（たとえば外形が円柱状に形成されている筐体）３５の外部にオーバーハングし突出（延出）している。そして、前記突出している入力軸３３に前記モータ２１の回転子（前記入力軸３３を回転するための回転子）３１が一体的に設けられている。
【００３２】
また、前記ベーンポンプ２３の筐体３５には、キャン３７が設けられており、前記入力軸３３と前記モータ２１の回転子３１とが閉ざされた空間内に存在するように、前記キャン３７が、前記ベーンポンプ２３の入力軸３３と前記モータの回転子３１とを、前記ベーンポンプ２３の筐体３５と共に（協働して）覆っている。
【００３３】
このようにキャン３７を設けたことにより、前記入力軸３３と前記筐体３５との係合部の隙間を通って前記キャン３７の内部に、搬送するガスが漏れ出てきても、この漏れ出してきたガスが前記キャン３７の外部に漏れ出すことを防止することができる。
【００３４】
前記ポンプユニット１についてさらに詳しく説明する。
【００３５】
前記入力軸３３は、ベーンポンプ２３の回転体２９の回転軸と一体的に形成されており、前記回転軸は、前記筐体３５の一端部（前記モータ２１とは反対側の端部）で、軸受け４１を介して前記筐体３５に回転自在に支持され、前記筐体３５の他端部（前記モータ２１側の端部）で、軸受け４３を介して前記筐体３５に回転自在に支持されている。このように構成されていることにより、前記モータ２１の回転子３１の軸受けを、前記ベーンポンプ２３の各軸受け４１、４３が兼ねていることになる。
【００３６】
前記モータ２１は、前記回転子３１に永久磁石を備えており、固定子鉄片４５と固定子コイル４７とで構成されている固定子３９が発生する磁束により、前記回転子３１が回転するようになっている。
【００３７】
前記キャン３７は、内径が前記回転子３１の最大外径よりも僅かに大きい円筒状に形成され先端部３７Ｂ側が閉じている本体部３７Ａと、この本体部３７Ａの基端部側に設けられたリング状のフランジ部３７Ｃとを備えていると共に、ステンレススチールや合成樹脂等の非磁性体で構成されている。
【００３８】
また、前記本体部３７Ａの内壁と前記回転子３１との間に僅かな隙間が存在することに対して、前記フランジ部３７Ｃが前記ベーンポンプ２３の筐体３５に隙間なく接触して、前記キャン３７が前記筐体３５に一体的に設けられている。
【００３９】
さらに、前記キャン３７の外側には、前記モータ２１の固定子３９が設けられており、固定子３９の内側の部位が前記キャン３７に接触し、前記モータ２１の固定子３９が前記キャン３７の外周に配置されている。なお、固定子３９の内側の部位が前記キャン３７から僅かに離れていてもよい。
【００４０】
また、ポンプユニット１には、カバー部材４９が設けられており、このカバー部材４９は、前記モータ２１の固定子３９を支持し、前記入力軸３３と前記モータ２１の回転子３１と前記キャン３７と前記固定子３９とを、前記ベーンポンプの筐体３５と共に（協働して）覆っている。
【００４１】
前記カバー部材４９は、内径が前記固定子３９の外径とほぼ同じであり外径が前記ベーンポンプ２３の筐体３５の外径とほぼ同じである円筒状に形成され、先端部が閉じていると共に、基端部側が前記ベーンポンプ２３の筐体３５に一体的に設けられている。
【００４２】
また、前記キャン３７を前記ベーンポンプ２３の筐体３５に設置するときに、前記キャン３７の中心軸と前記回転子３１の回転中心軸とを互いに一致させるための位置決め部位３５Ａ、３７Ｄが、前記ベーンポンプ２３の筐体３５と前記キャン３７とに形成されている。
【００４３】
すなわち、前記筐体３５の一端部側には、前記入力軸３３と同軸で前記入力軸３３の外径よりも大きな円柱形状の凸部が僅かに突出しており、この凸部によって前記位置決め部位３５Ａが形成されており、また、前記キャン３７の内径が前記凸部よりごく僅かに大きく形成されていることによって、前記キャン３７にも位置決め部位３７Ｄが形成されている。
【００４４】
さらに、前記カバー部材４９を前記ベーンポンプ２３の筐体３５に設置するときに、前記カバー部材４９の中心軸と前記回転子３１の回転中心軸とを互いに一致させるための位置決め部位３５Ｂ、４９Ａが、前記ベーンポンプ２３の筐体３５と前記カバー部材４９とに形成されている。
【００４５】
また、ガスの漏れを防止するために、前記キャン３７のフランジ部３７Ｃと前記筐体３５との接合部には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）が設けられている。また、固定子３９が設けられている空間内に外部から水等が浸入しないようにするために、前記筐体３５と前記カバー部材４９との接合部には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）が設けられている。
【００４６】
ポンプユニット１によれば、筐体３５とキャン３７とで閉ざされた空間内にベーンポンプ２３の回転体２９とモータ２１の回転子３１とが設けられているので、入力軸３３と筐体３５との間のごくわずかな隙間を通ったベーンポンプ２３からの燃料ガス（水素ガス）が漏れ出すことがなく、燃料電池システム３において、燃料ガスの漏れを防止しつつ前記燃料電池スタック５に燃料ガスを供給することができる。
【００４７】
特に、従来のようにポンプの回転軸の摺動部をシールする場合に対して、摺動しないキャン３７の固定フランジ部３７Ｃで水素ガスをシールすることにより、ポンプ２３の信頼性が格段に向上する。
【００４８】
また、モータ２１の回転数を変えることにより、燃料ガスの供給量を制御することができるので、ジェットポンプを用いる場合（たとえば、特開２００２−８６８８号公報参照）に比べ、燃料電池スタック５に供給する燃料ガスの流量を制御しやすくなっている。
【００４９】
また、ベーンポンプ２３を用いているので、ダイヤフラム式ポンプを用いた場合（たとえば、特開平９−２５９９１２号公報参照）に比べ、ポンプユニットを小型化することができ、また、ダイヤフラム式ポンプを用いた場合に比べ、ポンプの寿命が長くなっている。
【００５０】
さらに、ベーンポンプ２３を用いているので、ベローズ式ポンプを用いた場合（たとえば、特開２００２−１４７３６３号公報参照）に比べ、ポンプの構成が簡素になっており、ポンプの信頼性が向上している。
【００５１】
ポンプユニット１によれば、ベーンポンプ２３の筐体３５の外部にオーバーハングし突出している入力軸３３にモータ２１の回転子３１を一体的に設けこの回転子３１をキャン３７で覆い、また、前記モータ２１の回転子３１の軸受けを、前記ベーンポンプ２３の軸受け４１、４３が兼用しているので、モータ２１の回転子３１を支持するための軸受けを別途設ける必要がなく、ポンプユニット１の構成が簡素になっている。
【００５２】
また、ポンプユニット１によれば、前記キャン３７を設置する場合、前記モータ２１の回転子３１やこの回転子３１を支持している軸受けをいっしょに組み付ける必要がなく、前記キャン３７のみを設置すればよいので、ポンプユニット１の組み立てが容易になる。
【００５３】
さらに、前記キャン３７を前記ベーンポンプ２３の筐体３５の設置するときに前記キャン３７の中心軸と前記回転子３１の回転中心軸とを互いに一致させるための位置決め部位３５Ａ、３７Ｄが、前記ベーンポンプ２３の筐体３５と前記キャン３７とに形成してあるので、前記キャン３７を設置する際の組み立て作業が一層容易になる。
【００５４】
なお、前記ポンプユニット１では、ベーンポンプを例に掲げて説明したが、ベーンポンプに代えて、スクリューポンプ、トロコイドポンプ、ギヤポンプ等の回転容積式ポンプを採用してもよい。
【００５５】
前記モータ２１として、回転子３１に永久磁石を備えたモータを例に掲げたが、このモータ２１の代わりに、回転子に誘導電流を発生させて回転子が回転する構成のモータ等、固定子のみの電流を流し、回転子に電流を流すことなく回転子を回転させることができる構成のモータ（ブラシレスモータ）を採用してもよい。
【００５６】
なお、前記ポンプユニット１では、図２に示すように、モータ２１の回転子３１の先端部側には軸受けが設けられていないが、前記回転子３１の先端部側において前記回転子３１と前記キャンと３７の間に、ベアリング等の軸受けを設けてもよい。さらに、モータ２１の回転子３１の軸とポンプ２３の入力軸とを一体的に形成することなく別々の部材で形成し、これらの各部材をカップリング等の連結部材で互いに接続してもよい。
【００５７】
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係るポンプユニット１ａの概略構成を示す図である。
【００５８】
第２の実施形態に係るポンプユニット１ａは、第１の実施形態に係るポンプユニット１と同様に、燃料電池システムに使用されるポンプユニットであり、モータの回転子、固定子、キャンの形態が第１の実施形態に係るポンプユニット１と異なり、その他の点は、第１の実施形態に係るポンプユニット１と同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。
【００５９】
すなわち、第２の実施形態に係るポンプユニット１ａは、ベーンポンプの入力軸３３ａが、短く延出しておりこの延出している入力軸３３ａの先端部に、円板状の回転子形成部材５１が一体的に設けられている。なお、前記回転子形成部材５１の厚さ方向と前記入力軸３３ａの延出方向とは互いに一致している。
【００６０】
前記回転子形成部材５１の一方の面（前記入力軸３３ａと接合している面とが反対側の面）の周上には、永久磁石５３が設置されており、前記入力軸３３ａと、前記回転子形成部材５１と前記永久磁石５３とで構成されているモータの回転子とを覆うように、前記第１の実施形態に係るポンプユニット１のキャン３７よりも全長の短いキャン５５が設置されている。
【００６１】
さらに、前記キャン５５の外側であって、前記キャン５５を間にして前記永久磁石５３と対向した部位には、モータの固定子５７が設けられている。このモータの固定子５７は、前記第１の実施形態に係るポンプユニット１のカバー部材４９よりも全長の短いカバー部材５９によって支持されている。
【００６２】
このように構成されていることにより、ポンプユニット１ａでは前記第１の実施形態に係るポンプユニット１よりも全長が短く形成されている。
【００６３】
なお、前記各実施形態では、ポンプユニット１、１ａを燃料電池システム３に使用しているが、燃料電池システム以外の装置にも、ポンプユニット１、１ａを使用することができる。
【００６４】
したがって、燃料ガス（水素ガス）以外の流体を搬送する場合にも、ポンプユニット１、１ａを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るポンプユニットを用いた燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】ポンプユニットの概略構成を示す断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩＡ―ＩＩＩＢ断面を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るポンプユニットの概略構成を示す図である。
【図５】回転容積式ポンプを用いた従来のポンプユニットの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ポンプユニット
３  燃料電池システム
５  燃料電池スタック
２１  モータ
２３  ポンプ
３１  回転子
３３  入力軸
３５  筐体
３７  キャン
３９  固定子
４１、４３  軸受け
【図１】
2006070861.tif 000003
【図２】
2006070861.tif 000004
【図３】
2006070861.tif 000005
【図４】
2006070861.tif 000006
【図５】
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