(57)【要約】【課題】生成水を高純度で分離することができる気水混合物分離機構を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】このシート部材４０は、ピトー管３８内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端３９及び前記排水通路３７の入口側開口端４１に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路３７の入口側の開口端４１を閉じているが、ピトー管３８内の水圧の増大したときには、弾性的に変形して開口端から離間して前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的または連続的に連通させ、排水ポートの水を排水通路３７に排出するようになっている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸入し、前記未反応気体を前記燃料電池の当該気体の入口側に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構を備えたことを特徴とする循環ポンプ。
【請求項２】
さらに、前記集水部からの水を排出するための排水ポートと該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路とを備え、
前記排水機構が、前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
前記ピトー管内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側を閉じており、前記ピトー管内の水圧の増大したとき排水ポート及び排水通路の開口端から離間して、前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するシート部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の循環ポンプ。
【請求項３】
前記シート部材の背後に隣接して配置され前記シート部材を弾性力によって前記排水ポートの開口部に対して押しつける付勢部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の循環ポンプ。
【請求項４】
前記付勢部材の背後に空間部が設けられ、該空間部と前記導入通路とを連通する均圧管が配設されていることを特徴とする請求項３に記載の循環ポンプ。
【請求項５】
前記水分トラップが、前記気体導入部の端部のインペラ前部かつインペラの回転中心部から半径方向に外側に向かって延びるように配設されたガス透過性多孔質材で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
【請求項６】
生成水及び未反応気体を含む気水混合物が前記インペラの回転軸に沿って前記ポンプの吸入口に案内され、インペラの前面中央部において前記水分トラップに衝突しインペラの前面壁に沿って直角に進行方向を変更させられ、半径方向外方に向かって案内された後、前記ポンプケーシングの排出口に案内されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし５に記載の循環ポンプ。
【請求項７】
マグネットモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合されていることを特徴と請求項１ないし６のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
【請求項８】
ブラシレスモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
【請求項９】
微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの請求項に記載の循環ポンプ。
【請求項１０】
遠心力を受けている水を収容することが可能な集水部と、
該集水部からの水を排出するための排水ポートと、
前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路と、
前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じることができるように構成されたシート部材とを備え、
前記ピトー管内の水圧が低いときには、前記シート部材は前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端の両方に同時に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じており、前記ピトー管内の水圧が増大したとき前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するように動作することを特徴とする排水弁。
【請求項１１】
前記シート部材の背後に隣接して配置され前記シート部材を弾性力によって前記排水ポートの開口部に対して押しつける付勢部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１０に記載の排水弁。
【請求項１２】
前記付勢部材の背後に設けられた空間部と該空間部と前記集水部の水が接している空間とを連通する均圧管が配設されていることを特徴とする請求項１０または１１のいずれかの請求項に記載の排水弁。
【請求項１３】
微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかの請求項に記載の排水弁。
【請求項１４】
燃料極側に供給された気体と酸化剤極側に供給された気体との電気化学的反応により電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸い込み、前記未反応気体を前記燃料電池に当該気体の入口に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構とを有する循環ポンプとを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料極と酸化剤極のうちの少なくとも酸化剤極側からの気体の排出口を前記酸化剤極側への気体の供給路に接続して閉循環路を形成し、該閉循環路に凝縮器を設けた請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料気体および酸化剤気体が供給源から無加湿で前記凝縮器に供給されることを特徴とする請求項１４または１５のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
微少重力環境下で使用されることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれかの請求項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水圧を利用し燃料電池から排出される気液混合物から水分をガスと分離して排出する排水機構、該排出機構を用いた気水分離システムと当該気水分離システムを組み込んだ微小重力環境及び／または閉鎖環境でも対応可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙機への搭載が実利用として最初に米国航空宇宙局（NASA）が1960年代に30分間のフライト実証を終えて以来、ジェミニ／アポロ／スペースシャトル等の有人宇宙船の電源として燃料電池が使用されている。燃料電池は特に大電力(Wh)を必要とする宇宙機等において極めて有効な発電装置である。宇宙機に燃料電池を適用する際には以下の技術課題がある。
（１）運用期間中の全ての燃料／酸化剤の運搬・確保
（２）導入通路閉鎖環境下における気密性（外部への排出無し）の確保
微小重力下での生成水の除去燃料電池は電気と共に水を生成するが、微小重力環境(10-6-10-8G)となる軌道上では気体と液体は容易に分離されないため、水を除去する機構が必要となる。また、外部から燃料・酸化剤を供給することができないため、閉ざされた宇宙機の内部に電池反応に必要となる活物質等の全てを貯蔵する必要があり、ロケットの打上げ負荷の軽減等のための重量軽減・コンパクト化が重要である。発電部で効率的な発電を維持するためには、電解質膜/電極/酸素ガス付近において電気化学反応により生成された反応生成水は、そこに留まると反応阻害物質となってしまうため効率的に除去する必要があり、水の除去・分離技術が重要となる。
【０００３】
地上においては、気水分離は冷却水等を用いて生成水を凝縮させ、重力を利用して気体と凝縮水を分離する方法が主に用いられている（特開平６−７６８４３号公報など）。一方、宇宙空間等の微小重力環境においては、重力を利用した気水分離を行うことが出来ないため、スペースシャトル等においては、遠心分離の原理を用いて生成水を凝縮し、水を分離する方法を用いている。また吸収材を用いた気水分離方法（特開２００４−３１７７４７）もある。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−７６８４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３１７７４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
とくに宇宙機において使用される燃料電池においては、制約のある空間（容積）、質量の中で燃料電池発電システム本体、燃料、酸化剤の全てを保有して発電を行うためには搭載した燃料、酸化剤のガスを可能な限り利用し、未反応のまま排出することを極力防ぐ必要があり、そのためには反応生成水を高純度で分離することができる気水混合物分離機構を備えた燃料電池システムを提供することが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に対処するため本発明は以下のように構成される。
【０００７】
すなわち、本発明の１つの特徴によれば、燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸入し、前記未反応気体を前記燃料電池の当該気体の入口側に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構を備えたことを特徴とする循環ポンプが提供される。
【０００８】
好ましい態様では、さらに、前記集水部からの水を排出するための排水ポートと該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するため排水通路とを備え、
前記排水機構が、前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
前記ピトー管内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側を閉じているが、前記ピトー管内の水圧の増大したときには、弾性的に変形して開口端から離間して前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的または連続的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するシート部材とを備えている。本件発明者らは、このシート部材の動作によって、排水ポートからの水が排水通路側に選択的に排出され、ガス分は排出されないことを知見した。このシート部材は、代表的には、好ましくは上記の動作を保障する程度に可撓性、柔軟性のあるパネル部材で構成される。たとえば薄いシート状に加工されたテフロン（登録商標）等の高分子材料を好適に使用することができる。
【０００９】
また、別の態様では、前記シート部材の背後に隣接して配置され前記シート部材を弾性力によって前記排水ポートの開口部に対して押しつける付勢部材をさらに備えている。この場合、弾性体としてはコイルスプリング等のバネ部材が代表的である。また、バネ等の付勢部材の先端に平らな表面を有する押圧部材を配置し、その平らな表面が前記シート負材の背面に面接触により密着するように構成し、その背後からバネ等の部材によって弾性力を付与することにより、付勢部材をからの押圧力を均一にシート部材に伝達するようにし、排水ポート及び排水通路の開口端の周縁に均一な圧力で密着させるようにすることが好ましい。このように一般的には前記シート部材と付勢部材とを面接触させることにより前記排水ポートの開口端の周縁に密着するように構成することができるが、必ずしもそのようにする必要はなく、１つ以上の複数の点接触によってシート部材を圧迫するように構成することもできる。
【００１０】
また、付勢部材の背後に空間部を設け、該空間部と前記導入通路とを連通する均圧管が配設することが望ましい。このようにすることによりポンプケーシング内外で圧力差が生じた場合であっても支障なく集水部における生成水を系外に排出することができる。
【００１１】
さらに、好ましい態様では、水分トラップが、気体導入部の端部のインペラ前部かつインペラの回転中心部から半径方向に外側に向かって延びるように配設されたガス透過性の多孔質材で構成されている。
【００１２】
好ましくは、生成水及び未反応気体を含む気水混合物が前記インペラの回転軸に沿って前記ポンプの吸入口に案内され、インペラの前面中央部において前記水分トラップに衝突しインペラの前面壁に沿って直角に進行方向を変更させられ、半径方向外方に向かって案内された後、前記ポンプケーシングの排出口に案内されるようになっている。このように気水混合物の流れを変更させることによって、燃料電池からの気水混合物中の水分を効果的に分離することができる。
【００１３】
また、好ましくはマグネットモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合されて安全性を高めることができるとともに、装置設計の自由度を高めることも可能となる。別の態様では安全性の面から、ブラシレスモータの出力軸が動力伝達可能に前記インペラに結合される。
【００１４】
上記の装置は、基本的には、微少重力環境下で好適に使用することができる。本発明の別の特徴によれば、遠心力を受けている水を収容することが可能な集水部と、
該集水部からの水を排出するための排水ポートと、
前記集水部の水中に一端が開口することにより該集水部に連通し、他端が前記排水ポートに連通しているピトー管と、
該排水ポートに近接して設けられ排水ポートからの水を排出するための排水通路と、
前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じることができるように構成されたシート部材とを備え、
前記ピトー管内の水圧が低いときには、前記シート部材は前記排水ポートの出口側開口端及び前記排水通路の入口側開口端の両方に同時に密着することにより前記排水ポートの出口側及び前記排水通路の入口側の両方を閉じており、前記ピトー管内の水圧が増大したとき前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的に連通させ、排水ポートの水を排水通路に排出するように動作することを特徴とする排水弁が提供される。
【００１５】
さらに、別の特徴によれば、燃料極側に供給された気体と酸化剤極側に供給された気体との電気化学的反応により電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸い込み、前記未反応気体を前記燃料電池に当該気体の入口に還流させるための循環ポンプであって、
前記燃料電池の燃料出口側、酸化剤出口側の少なくとも一方からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通する吸入口と未反応気体を燃料電池の当該気体の入口側へ送出する排出口とを有するポンプケーシングと、
該ポンプケーシング内に配置されるインペラと、
前記インペラとともに回転するようにインペラの前面中心部付近に設けられ、前記吸入口を介してポンプケーシング内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップと、
該水分トラップに連通して設けられ前記水分トラップの回転によって該水分トラップから排出される水を遠心力を受けた状態で収容する集水部と、
該集水部の水を集水部から排水する排水機構とを有する循環ポンプとを備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１６】
この場合、前記燃料極と酸化剤極のうちの少なくとも酸化剤極側からの気体の排出口を前記酸化剤極側への気体の供給路に接続して閉循環路を形成し、該閉循環路に凝縮器を設けた燃料電池システムとすることにより本発明の特徴を有効に活用することができる。
【００１７】
本発明によれば、前記燃料気体および酸化剤気体が供給源から無加湿で前記凝縮器に供給される態様において好適である。本発明では、水圧を利用し、ポンプの内外の差圧を調整し、排水口と水トラップ部との間の圧力的にバランスさせるようにした独特の排水弁が提供される。ブラシレスモータを採用することにより可燃性ガスの循環・加圧にも使用可能な循環ポンプを提供できる。上記排水弁と循環ポンプを用いることによりで、宇宙空間等の微小重力環境下でも気水分離を効果的におこなうことができる可気水分離システムを得ることができる。さらには、この気水分離システムをベースとして、燃料電池発電の際の排気側に含まれる未反応ガスと反応後の生成水を効率よく分離し、未反応ガスのみを供給系に戻し、再び発電に寄与できるようにするガスを有効活用する燃料電池システムを提供することが可能となる。水以外の排出物を出さないシステムを構築することで、宇宙環境以外の地上のガス排気を嫌う閉鎖環境でも利用可能な燃料電池システムも実現できる。水の質量により発生する水圧と雰囲気圧力との差を利用する水排出機構を有する。上記構成によって、生成水を含む未反応ガスから水を凝縮して分離する構造が提供される。気水分離装置はインペラの回転により遠心力を受けて集水された水を得ることを特徴とする。インペラの回転数を可変にすることにより、生成水の集水量を制御することもできる。上記のとおりインペラの回転のためのモータとしてブラシレスを採用することにより酸化剤（支燃性ガス）の中でも発火・爆発を起こさないという利点がある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、遠心力により発生した水圧を利用して水を排出するため、水のみ気体と分離して選択的に排出することができ、未反応気体の系外への散逸を防ぐことができる。また、回転数を上げることにより、多量の生成水を凝縮、排出可能なため、小型の気水分離システムとすることができる。ブラシレスモータ、マグネットモータを採用することで、支燃性ガスの循環利用が可能となる。本発明にかかる気水分離システムを用いることにより、微少重力にかかる宇宙環境のみならず、地上でガス排気を嫌う閉鎖環境等での燃料電池発電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は本発明の好適な実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池システム１の全体図を示している。固体高分子電解質形燃料電池（燃料電池スタック）１０は、水素イオン電解質膜１１を挟んで燃料極１２と酸化剤極１３とが対面するように配置されて構成される。前記燃料極１２及び前記酸化剤極１３の一方の側には水素供給口１４、酸素排出口１５がそれぞれ設けられ、また、前記酸化剤極１３の他方の側には酸素供給口１６がそれぞれ設けられている。本例においては、燃料側の出口は閉塞されており、燃料である純水素は燃料スタック内で反応により消耗する構成とされている。なお、燃料電池１０によって発生した電力は負荷２によって消費される。
【００２１】
燃料電池システムにおいては供給ガスの利用率を高めることが極めて望ましく、このためには、活物質として純水素および純酸素を使用して、上記のように燃料側気体排出口を閉塞するシステムを構成する。しかし、酸素側の循環ラインは単なる閉塞では酸素極に生成水が蓄積・滞留し燃料電池特性の急速な低下が生ずる。そこで酸素側生成水の燃料電池内滞留を抑制するために燃料電池スタック１０の入口と出口を閉ループ化し、その間にガス循環ポンプ１７を設置して循環酸素の流れで生成水を燃料電池スタック１０の外へ搬出し、かつループ内に設けた循環ポンプ１７で生成水を凝縮させて系外へ排出するとともに、未反応酸化剤ガスを高効率で分離して回収循環させるように燃料電池システム１を構成している。 加えて水素、酸素の流れを対向流化し、かつ酸素の循環量を適宜設定するようにすることによって、燃料電池１０の内部を適正な湿度環境に維持できるように構成している。さらに発電状態を長時間維持するには閉ループ内の循環ポンプにおいて燃料電池内で生成凝縮した水分を微小重力下であっても酸素ガスと分離し、発電を中断することなく系外へ排出することが望ましい。この環境下においても、本発明にかかる循環ポンプを用いた燃料電池システムは、効率的に気水分離を行うことができるものである。
【００２２】
本例の循環ポンプ１７は、気水混合物を受け入れ排出するためのポンプ部１８と該ポンプ部１８に必要な回転動力を付与するためのモータ部１９から構成されている。循環ポンプ１７は燃料電池１０の酸化剤極出口１５側からの反応生成水と未反応気体を含む気水混合物を吸入し、前記未反応気体を前記燃料電池１０に還流させるものであって、燃料電池１０の酸化剤気体出口通路２０からの前記気水混合物を導入する導入通路２１に吸気口２２を介して連結されている。循環ポンプ１７は該吸気口２２と未反応気体を燃料電池の酸化剤入口側へ送出する排気口２３とを有するポンプケーシング２４を備えており、ポンプケーシング内には回転翼すなわちインペラ２５が配置される。インペラの吸気側は、燃料電池の酸化剤気体の出口通路からの前記気水混合物を導入する導入通路に連通している。該気水混合物は燃料電池の出口通路から上記導入通路に案内されるがこの導入通路２１はインペラの回転軸２６に沿ってこれを囲むにようにシリンダー状に設けられている。したがって該導入通路２１に案内された気水混合物はインペラ２５の回転軸に沿って循環ポンプ１７に導入されてインペラ２５前面壁に当たり、流れ方向を直角に変更させられたのち、ポンプケーシング２４内の周壁に沿って円周方向外方に、そして外周に設けられた排気口に向けて案内される。
【００２３】
しかし、本例の構成では循環ポンプ１７と一体化した構成としてさらに効果的に生成水及び未反応気体を分離する排水機構（排水弁）２７を組み込んで構成される。そして、本例の循環ポンプ１７においては、上記気水混合物の導入通路２１に連通するポンプケーシング２４の吸気口２２の近傍には前記吸気口を介してポンプケーシング２４内に導入される前記気水混合物中の水分をトラップする水分トラップ２８が設けられる。この水分トラップ２８は、好ましくはガス透過性のある多孔質材料で構成され、たとえばスポンジのような材料で構成され、代表的にはポンプ１７の回転軸と共通の中心軸を有する円筒状あるいは円柱状の形態を有する。そして水分トラップ２８はインペラ２５の吸入口側すなわち前面の中心部にインペラ２５の中心部の前面に貼り付けられるように設けられる。これによって、ポンプケーシング２４の吸気口から吸い込まれた生成水、未反応気体は必ずこの水分トラップ２８に衝突してインペラ前面壁の表面上を半径方向外方に広がるように案内されるように構成されている。この構成により水分トラップ２８によって、気水混合物の水分のみ効果的かつ選択的にトラップして吸収し、未反応気体は透過させて未反応酸化剤気体と生成水を効率的に分離する。この場合、インペラ２５の中心部の水分トラップが配置される部分には、複数の開口２９が設けられており、導入通路２１から軸方向に案内されて水分トラップに衝突した気水混合物の水分は水分トラップに捕獲され、気体部分は水分トラップ２８を通過して、インペラの後面側に回り、その後インペラ２５の回転吸引力によって半径方向外方に誘導されて排気口２３に導かれる。これによって未反応酸化剤気体成分のみを水と分離して効率よく燃料電池システム１内を循環に供しせしめることができる。
【００２４】
上記のように水分トラップ２８は、インペラ２５とともに回転するようにインペラ２５の前面中心部付近に設けられている。そして、該水分トラップの外周部には、該水分トラップ２８の周囲を取り囲むように配置され、中間部に大径部すなわち集水用凹部を有する円板状ないし円筒状の集水部３０が設けられる。この集水部は、後端でインペラの前面に固定され、その前端が前記ポンプケーシング２４の吸気口２２付近まで延びており、吸気口に案内された酸化剤極側出口からの気水混合物が前記水分トラップ２８を迂回して案内されることがないような構成にされている。この集水部３０はインペラの回転とともに回転するようになっており、同様にインペラの回転によって該水分トラップ２８から排出される水を遠心力を受けた状態で収容する。
【００２５】
上記ポンプケーシング２４は、円錐状の形態をしており前端部に吸気口を有する前側ポンプケーシング３１と前端が該前側ポンプケーシング３１と接合され後端側がモータ３４を収容したモータケーシング３３と結合される後側ポンプケーシング３２とを有する。前部ポンプケーシング３１と後部ポンプケーシング３２とモータケーシング３３とは本例ではボルト結合されている。モータ３４の回転軸３５とインペラ２５の回転軸２６とは動力伝達可能に結合されている。これによってモータ３４の起動によってその回転動力がインペラすなわち回転翼に伝達されインペラ２５を回転させる。
【００２６】
ケーシング３１、３２は、インペラ部分並びにモータ部１９を覆い、生成水、未反応ガスが飛散しないように閉鎖空間を形成している。
【００２７】
さらに、本例の構成では、集水部３０の水を集水部３０から排水する排水機構すなわち排水弁２７を備えている。本例の排水機構２７は、上記水分トラップ２８で捕獲された水がガス側へ流れていかないようにするため、水分トラップ２８の周囲を覆うように配設された集水部３０を有する。図４を合わせて参照すると、一方の端部が集水部３０の底板部から僅かに隙間を開けて取り付けられ、他方は排水ポート３６に取り付けられている。
【００２８】
本例の構成では集水部３０からの水を排出するための排水ポート３６と該排水ポート３６に近接して設けられ排水ポート３６からの水を排出するための排水通路とが設けられる。この場合、図５、図６に示すように、排水ポート３６と排水通路３７とは近接してほぼ平行に設けられている。そして、排水ポートの入口側には、前記集水部３０の水中に一端が開口することにより該集水部３０に連通するピトー管３８が連通している。ピトー管３８は、集水部３０内に収容された生成水を水圧により吸引し、排水ポート３６内に案内する役割を果たす。本例の構成では、排水ポート３６の出口側の開口３９と排水通路の入口側開口４１とは共通の平面内に設けられている。そして、本例の構成では、両方の開口端３９、４１を閉塞ないし、開放することができるシート部材４０が設けられる。
【００２９】
このシート部材４０は、図５に示すようなピトー管３８内の水圧が低い状態では前記排水ポートの出口側開口端３９及び前記排水通路３７の入口側開口端４１に密着して、前記排水ポートの出口側及び前記排水通路３７の入口側の開口端４１を閉じているが、図６に示すようにピトー管３８内の水圧の増大したときには、弾性的に変形して開口端から離間して前記排水ポートの出口側開口端と前記排水通路の入口側開口端とを間欠的または連続的に連通させ、排水ポートの水を排水通路３７に排出するようになっている。
【００３０】
このシート部材の動作によって、排水ポート３６からの水が排水通路側に選択的に排出され、ガス分は排出されず水分と気体部分とを効果的に分離することができる。上記の動作を保障する程度に可撓性、柔軟性のあるパネル部材で構成されており、薄いシート状に加工されたテフロン（登録商標）が使用されている。
【００３１】
本例の構成では、シート部材４０の背後に隣接して配置され、シート部材を弾性力によって排水ポートの開口部に対して付勢する付勢部材、本例ではスプリングが設けられている。そして、スプリング４２の先端には、平らな表面を有する押圧部材４３を配置して、この押圧部材によってシート部材の背面を押圧して、所望の付勢力を与えている。このように、押圧部材の平らな表面がシート部材４０の背面にほぼ全面に亙って密着するように構成し、その背後からスプリング４２によって弾性力を付与することにより、スプリングの付勢力を均一にシート部材４０に伝達するようにすることにより、排水ポート及び排水通路の開口端の周縁に均一な圧力で密着させることができ、排水ポート３６から排水通路への水の流れを円滑にしている。
【００３２】
さらに、本発明においては、スプリング４２の背後に外部から遮断された空間部４４を設け、該空間部とポンプケーシング２４内の空間あるいは導入通路とを連通する圧力調整管すなわち均圧管４５が配設されている。
【００３３】
このようにすることによりポンプケーシング内で圧力変動があった場合もその影響を受けず集水部３０の遠心力に応じた水圧に応じて生成水を系外に排出することができる。
【００３４】
以下、本例の燃料電池システム１の動作を説明する。
【００３５】
まず、酸化剤極出口側１５からの生成水及び未反応気体を含む気水混合物は導入通路２１を介して、循環ポンプ１７のポンプケーシング２４の吸気口２２を介してインペラ２５へ送られる。ポンプケーシング２４内においてインペラの回転軸は、モータ３４の回転軸３５に結合されており、モータ３４の動力によって回転させられている。この場合、気水混合物は、インペラ２５の回転軸２６に沿って延びる管状の導入通路２０、２１内をインペラ２５に対して直交方向に導入される。そして、インペラ２５の吸気口側すなわち前面に取り付けられている多孔質材料からなる水分トラップ２８に正面から衝突する。これにより酸化剤極出口側１５からの気水混合物のうちの水分は効果的に捕獲される。
【００３６】
この水分トラップ２８と集水部３０はいずれもインペラ２５に取り付けられているため、インペラ２５と一体で回転する。そのため、水分トラップ２８に捕獲された水は回転による遠心力で中心から外側へ押し出される。押し出されることによって、水分トラップ２８から排出され、飛散した水は集水部３０の内壁に当たり集水部３０に溜まる。集水部３０自体も回転しているため、同様に遠心力を受けている。このため集水部３０の内面に捕獲された水は集水部３０の大きな内径を有するすなわち回転半径の大きい大径部４６に集中する。図４に示すように、この大径部４６にピトー管３８の一端４７が延びており、この場合、ピトー管は、大径部４６に集められた水の水面下に一端が開口する程度に延びている。これによって集水部３０の水が一定量以上溜まるとピトー管３８の端部４７がその水面したに没する（図４）。集水部３０の空間部分の圧力はポンプ１７への導入通路２１部分と同じであるが、集水部３０で水が溜まるとピトー管３８の端部４７の圧力は水のピトー管３８の端部４７と水面との水位差及びその回転による遠心力とにより力が気体部分の圧力に付加されるので、ピトー管の集水内への進入深さをhとすると；
2008047392.tif 000003
が成り立つ。ここで、m(h)はピトー管３８の開口端部４７からの水面の高さに依存する質量、ｒは回転の半径、ωは角速度である。
【００３７】
一方、シート部材の押圧部材４３の側の空間部４４の圧力は均圧管４５により均圧されているので、この部分の圧力は循環ポンプ１７への導入通路２１内の圧力と同じ圧力にされている。集水部の上記大径部４６に水が溜まっていない状態では、押圧部材４３側背後の空間部４４と集水部３０内部の空間の圧力は同じであるため、図５に示すようにスプリングによる付勢力により、シート部材４０はピトー管３８の他端が連通している排水ポート３６の開口端３９及び排水通路３７の開口端４１に押し付けられているので、以下の式
2008047392.tif 000004
により排水ポートと排水通路のそれぞれの開口端の周縁に密着して両者を閉塞しており、両開口端３９及び４１の連通を遮断している。
【００３８】
ここで、ｋはバネ定数、xは予め与圧よるスプリング４２の変移量である。そして、集水部の大径部に水が溜まって、水位が上がりピトー管３８の開口端部４７を覆ってこの端部４７より水面が上昇するとピトー管３８の端部４７に圧力が付加される。このとき、
2008047392.tif 000005
となり、排水ポート３６側の水圧がスプリング４２によるシート部材４０の押圧力を上回るようになると、水圧に押されてシート部材４０が開口端３９、４１から離間するように変位して、シート部材４０が排水ポート３６及び排水通路３７の両方の開口端３９、４１に密着することによって分断されていたピトー管３８・排水ポート３６及び排水通路３７の端部が空間的に連通する（図６）。
【００３９】
ピトー管３８・排水ポート３６と排水通路３７が繋がることによって、集水部３０にある水が水の圧力差によりピトー管３８を介して排水通路３７側へ流れ、水だけが効果的に排出され、集水部の空間部に存在する未反応酸化剤ガスはそのポンプケーシング２４内にとどまる。
【００４０】
そして、このような水圧差に基づいて排水ポート３６と排水通路３７との連通により水が排出され、水位が所定以上に低下して、
2008047392.tif 000006
となって、集水部３０内部で水により発生した圧力がスプリング４２による押圧力よりも小さくなると、シート部材４０は再び押圧部材４３によりピトー管３８・排水ポート３６及び排水通路３７の開口端３９側へ押し付けられ、ピトー管３８・排水ポート３６と排水通路３７の連通を遮断して、再び水の流通が停止される。
【００４１】
スプリング４２の力を調整し、ピトー管３８の端部開口部４７よりも水位が高い状態に維持することにより、排水通路３７には気水混合物のうちの水だけを未反応酸化剤ガスと分離して排水通路３７に誘導し、系外に排出することができる。本例の上記構成によれば、気体が排出されることなく気水分離を効率的に行うことができるので、未反応酸化剤ガスを閉ループシステムにおいて支障なく循環させることができる。
【００４２】
上記の構成によれば、遠心力によって、水圧を発生させ、これに基づいて気水混合物の水分と気体とを分離するようにしているので、微小重力下においても有効に燃料電池システムに組み込んで活用することができる。しかも本例の構成では、気水混合物の全体を多孔質材料により構成した水分トラップ２８に案内し、水分を捕獲し、気体成分を透過させるようにしたので簡単な構成にすることできるととも、効果的に水分と気体とを分離することができる。
【００４３】
また、モータ部を支燃性である酸素ガス濃度が高い場合でも爆発等の恐れの無いブラシレスモータを用いることにより、安全な気水分離装置となる。さらに、駆動源としてマグネットモータを用いて循環ポンプを構成することにより、モータ部１９とポンプ部１８とを隔離することができ、隔離した状態で循環ポンプ１７を駆動するようにすると、酸化剤（支燃性ガス）の中でポンプをも発火・爆発の問題が生じないという利点がある。
【００４４】
したがって、マグネットモータを採用することによって、支燃性ガスの循環に利用可能となる。
【００４５】
さらにインペラ回転数を適宜調整することにより、水の排出量を調整できるので、気水分離装置の小型化が可能である。また、本例の構成により、循環ポンプと気水分離機構を一体化することができるので、燃料電池システム全体の小型化も行える。したがって、微小重力環境に限らず、地上での閉鎖環境等外界との接続に制約があり、限られた空間での燃料電池発電においては、有効な気水分離技術となる。
【００４６】
さらに、本実施例では酸化剤系統での気水分離について例示したが、燃料系統における気水分離が必要とされる場合には酸化剤系統と同様な循環ポンプと気水分離機構を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のとおり本発明は微少重力環境下で使用する燃料電池システムにおいて好適に使用することができるとともに、ガス循環を行う機器を利用する分野においても利用性は高い。さらに一般的に、気水分離を行う機器を利用する分野での活用も期待される。
【００４８】
さらに、上記本発明の構成により電池性能の向上、運転コストの低減化、高出力発電を可能にする等種々の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を好適に活用することができる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】本発明の１実施例にかかる循環ポンプの断面図である。
【図３】図２の循環ポンプの正面図である。
【図４】図２におけるＡ部（集水部）の拡大断面図である。
【図５】図２におけるＢ部（排水弁）の拡大断面図であって、弁の閉状態を示す。
【図６】図２におけるＢ部（排水弁）の拡大断面図であって、弁の開状態を示す。
【符号の説明】
【００５０】
１  固体高分子電解質形燃料電池システム
２  負荷
１０  燃料電池（燃料電池スタック）
１１  水素イオン電解質膜
１２  燃料極
１３  酸化剤極
１４  水素供給口
１５  酸素排出口
１６  酸素供給口
１７  循環ポンプ
１８  ポンプ部
１９  モータ部
２０  酸化剤気体出口通路
２１  導入通路
２２  吸気口
２３  排気口
２４  ポンプケーシング
２５  インペラ
２６  インペラの回転軸
２７  排水機構（排水弁）
２８  水分トラップ
２９  開口
３０  集水部
３１  前側ポンプケーシング
３２  後側ポンプケーシング
３３  モータケーシング
３４  モータ
３５  モータ回転軸
３６  排水ポート
３７  排水通路
３８  ピトー管
３９  排水ポート３６の出口側の開口
４０  シート部材
４１  排水通路の入口側開口
４２  スプリング
４３  押圧部材
４４  空間部
４５  均圧管
４６  大径部
４７  開口端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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