(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室内で第１および第２の２つのロータを同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、
ポンプの停止時に、各ロータのポンプ室内での停止位置をそれぞれ独立に定めることが可能であり、
第１および第２のロータは、２葉形状であって、ポンプの停止時には、各ロータは、一方の羽根部の先端と他方の羽根部の先端を結ぶ直線の方向が、鉛直方向に対して直角となる方向を除く位置で停止されることを特徴とするルーツ型ポンプ。
【請求項２】
第１の回転軸に固定された第１のロータと、第２の回転軸に固定された第２のロータとをポンプ室内で同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、
ポンプ作動時には、第１の回転軸による第１のロータと、第２の回転軸による第２のロータの回転が同期状態となり、
ポンプ停止時には、第１の回転軸による第１のロータと、第２の回転軸による第２のロータの回転が非同期状態となる、切替機構を有し、
第１および第２のロータは２葉形状であって、ポンプの停止時には、各ロータは、一方の羽根部の先端と他方の羽根部の先端を結ぶ直線の方向が、鉛直方向に対して直角となる方向を除く位置で停止されることを特徴とするルーツ型ポンプ。
【請求項３】
第１の回転軸に固定された第１のロータと、第２の回転軸に固定された第２のロータとをポンプ室内で同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、
第１のロータを回転させる第１の回転軸の一端には第１のギヤが取り付けられ、第２のロータを回転させる第２の回転軸の一端には第２のギヤが取り付けられ、
ポンプの始動時には、第１のギヤと第２のギヤが噛合され、外部駆動源による第１の回転軸の回転により、第１のギヤと第２のギヤを介して第２の回転軸が回転されて、第１および第２のロータが同期回転し、
第１および第２のロータは２葉形状であって、ポンプの停止時には、第１のギヤと第２のギヤが切り離され、各ロータは、一方の羽根部の先端と他方の羽根部の先端を結ぶ直線の方向が、鉛直方向に対して直角となる方向を除く位置で停止されることを特徴とするルーツ型ポンプ。
【請求項４】
第１のギヤと第２のギヤの噛合および切り離しは、電磁カップリングによって行われ、第１および第２のロータは、ポンプ室外に設置された永久磁石によってそれぞれの所定の位置に停止されることを特徴とする請求項３に記載のルーツ型ポンプ。
【請求項５】
各ロータは、一方の羽根部の先端と他方の羽根部の先端を結ぶ直線の方向が、鉛直方向と平行となる位置で停止されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のルーツ型ポンプ。
【請求項６】
圧縮流体を吐出する吐出口がポンプ室の底部に設置され、
各ロータは、一方の羽根部の先端と他方の羽根部の先端を結ぶ直線の方向が、鉛直方向に対してある傾きを有する位置で停止され、該傾きは、各ロータの下側の羽根の外周部のうち、各ロータの回転中心を通る鉛直線からの、ポンプ室の内方側の距離が最大となる位置をそれぞれＲおよびSとしたとき、ＲおよびSから鉛直方向に延びる直線が、前記吐出口を通るように定められることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のルーツ型ポンプ。
【請求項７】
ポンプの停止時には、ロータが互いに非接触となる位置で停止することを特徴とする請求項６に記載のルーツ型ポンプ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つに記載のルーツ型ポンプを備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルーツ型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、電池本体での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、燃料ポンプとしてルーツ型の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】
そこでこのようなポンプの凍結による不具合を回避するため、ルーツ型ポンプのケーシング底部に水分を溜める漏斗状の収容部を設け、この隙間を介してポンプ内の水を吐出させることにより、ポンプ内の残留水分量を減らし、ポンプ停止時の凝縮水の凍結を防止する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、低温環境でのルーツ型ポンプの再起動時に、ロータの正回転／逆回転を繰り返して、ロータとこれに対向するケーシング内面との間に生じた凍結層を剥離除去してから起動を行う方法が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１８０４２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１５５４０９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、通常ルーツ型ポンプの２つのロータは、ポンプの停止中、ポンプの作動時に同期回転される位置関係のまま、ポンプ室内に停止されている。従って特許文献１の方法では、ロータの停止位置によっては、ポンプ停止中にポンプ室内で凝縮水の凍結が生じると、ロータがケーシングに固着されてしまう場合がある。例えば、一方のロータの一組の羽根がポンプの設置面に対して水平に近い状態で、ロータが停止すると（図２の第２のロータ６０のポンプケーシング１５との位置関係を参照のこと）、ロータの上部表面に凝縮した水分は、表面張力によってロータとこれに対向するケーシング内面の隙間に溜まり、ケーシング底部に設けた収容部には誘導されないため、この位置では水分の凍結によりロータがケーシングに固着されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、水蒸気を含むガスがポンプ室内に残留した状態でポンプを停止させても、ロータがケーシングに固着されるような凍結の生じにくい、ルーツ型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、ポンプ室内で２つのロータを同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、ポンプの停止時に、各ロータのポンプ室内での停止位置をそれぞれ独立に定めることの可能なルーツ型ポンプが提供される。本発明のルーツ型ポンプでは、各ロータの停止位置をそれぞれ独立に定めることができるため、ロータがこれに対向するケーシング内面と固着されにくい位置に、ロータを停止させることが可能となる。
【０００８】
また、本発明では、第１の回転軸に固定された第１のロータと、第２の回転軸に固定された第２のロータとをポンプ室内で同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、ポンプ作動時には、第１の回転軸による第１のロータと、第２の回転軸による第２のロータの回転が同期状態となり、ポンプ停止時には、第１の回転軸による第１のロータと、第２の回転軸による第２のロータの回転が非同期状態となる、切替機構を有することを特徴とするルーツ型ポンプが提供される。これにより、ポンプ停止時の各ロータの位置を、確実に制御することが可能となる。
【０００９】
ここで、非同期状態は、第１の回転軸による第１のロータと、第２の回転軸による第２のロータが、互いに独立した回転位置となる状態であっても良い。
【００１０】
また、本発明では、第１の回転軸に固定された第１のロータと、第２の回転軸に固定された第２のロータとをポンプ室内で同期回転させて、流体を圧縮するルーツ型ポンプであって、第１のロータを回転させる第１の回転軸の一端には第１のギヤが取り付けられ、第２のロータを回転させる第２の回転軸の一端には第２のギヤが取り付けられ、ポンプの始動時には、第１のギヤと第２のギヤが噛合され、外部駆動源による第１の回転軸の回転により、第１のギヤと第２のギヤを介して第２の回転軸が回転されて、第１および第２のロータが同期回転し、ポンプの停止時には、第１のギヤと第２のギヤが切り離され、第１および第２のロータは、それぞれの所定の位置に停止されることを特徴とするルーツ型ポンプが提供される。
【００１１】
なお、前述のルーツ型ポンプにおいて、第１のギヤと第２のギヤの噛合および切り離しは、電磁カップリングによって行われ、第１および第２のロータは、ポンプ室外に設置された永久磁石によってそれぞれの所定の位置に停止されても良い。
【００１２】
また前述のルーツ型ポンプにおいて、第１および第２のロータは２葉形状であって、各ロータは、一方の羽根部の外端と他方の羽根部の外端を結ぶ距離が最大となる直線の方向が、鉛直方向に対して直角となる方向を除く位置で停止されるようにしても良い。この場合、低温環境下においてポンプ内に含まれる燃料または酸化剤オフガス等から凝縮した水分は、重力によって落下するため、ロータ表面に凝縮水は溜まらず、低温環境におけるポンプ室内でのロータの固着が防止される。
【００１３】
例えば、各ロータは、一方の羽根部の外端と他方の羽根部の外端を結ぶ距離が最大となる直線の方向が、鉛直方向と平行となる位置で停止されても良い。
【００１４】
あるいは、圧縮流体を吐出する吐出口がポンプ室の底部に設置され、各ロータは、一方の羽根部の外端と他方の羽根部の外端を結ぶ距離が最大となる直線の方向が、鉛直方向に対してある傾きを有する位置で停止され、該傾きは、各ロータの下側の羽根の外周部のうち、各ロータの回転中心を通る鉛直線からの、ポンプ室の内方側の距離が最大となる位置をそれぞれＲおよびＳとしたとき、ＲおよびＳから鉛直方向に延びる直線が、前記吐出口を通るように定められても良い。この場合、低温環境下でポンプ内に含まれるオフガス等から凝縮した水分を重力により落下させて、吐出口から排出させることができるため、ポンプ内でのロータの凍結をより確実に防止することができる。
【００１５】
またこの場合、ポンプの停止時には、ロータが互いに非接触となる位置で停止されても良い。
【００１６】
このようなルーツ型ポンプは、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、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】
【００１７】
本発明のルーツ型ポンプでは、低温下においてポンプ室内でロータがケーシング内面と固着すること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】
【００１８】
以下図面により本発明の形態を説明する。
【００１９】
図１には、本発明のルーツ型ポンプ１０の概略構成図を示す。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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
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。ただし、ギヤ室１１９内の第２の回転軸４０の他端側には、後述の切替手段８０が配置されている。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。
【００２３】
ギヤ室１１９には、第１のタイミングギヤ７０と、第２のタイミングギヤ７２と、切替手段８０が設置されている。第１のタイミングギヤ７０は、第１の回転軸３５の他端部に固定されている。一方、第２のタイミングギヤ７２は、第２の回転軸４０の他端部の近傍に設置されている。また第２のタイミングギヤ７２は、切替手段８０の一部をなす連結棒８２に接続されている。切替手段８０は、例えばモータ等の電気的または機械的移動手段によって、ギヤ室１１９内で連結棒８２を（図１の上方向に）スライド移動させることが可能であり、これにより、第１のタイミングギヤ７０に対して、第２のタイミングギヤ７２を接続／非接続状態に切り替えることができる。例えば、ポンプ１０の運転時には、図１のように、第１のタイミングギヤ７０と第２のタイミングギヤ７２とが噛合連結される。これに対して、ポンプ停止時には、切替手段８０は、ギヤ室１１９内で連結棒８２を図の上方向に移動させる。これにより、第２のタイミングギヤ７２は、連結棒８２とともに図の上方向に移動し、第１のタイミングギヤ７０との接続が解除される。
【００２４】
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。
【００２５】
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に固定されている。ポンプ１０の作動中は、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。
【００２６】
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。
【００２７】
ここで当該ポンプを、例えば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、図２に示すようなロータ位置でポンプが停止された場合、凝縮した水分は、表面張力により第２のロータ６０の表面の図のＡの位置に溜まりやすくなる。従って凝縮水がこの位置で凍結すると、第２のロータ６０とこれに対向するポンプケーシング１５の内面とが隙間を介して固着されてしまう。このような凍結が生じた場合、第２のロータ６０は回転方向に回転できなくなるため、隙間の凍結が解消す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。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明では、ポンプ１０の停止時に、ポンプ室２０内の両方のロータ５０、６０を、相互の位置関係に拘束されず、凝縮水の凍結の影響を最も受けにくい所定の位置に停止させることができる。例えば図３では、ポンプ１０が停止されると、それぞれのロータの２箇所の羽根部５０ａ−５０ｂ、６０ａ−６０ｂの関係が、ポンプの設置面に対してほぼ上下位置となるような状態で、ロータ５０、６０が停止される。ポンプ室２０内において、ロータ５０、６０がこのような位置関係となるように停止された場合、オフガス中に含まれる水蒸気が低温下で凝縮しても、ロータ表面には溜まり部がないため、凝縮水分は、重力によりロータ表面から落下する。この場合、落下した水分はポンプケーシング１５の底部である程度広がりを持った状態で分布する（すなわちケーシング内面における水分で濡れる表面積は、図２の位置Ａのケーシング内面に比べて大きくなる）。従って前述のような、ロータ５０、６０とこれに対向するポンプケーシング１５の内面の間の隙間を塞ぐような凍結は生じにくくなり、ロータ５０、６０がポンプケーシング１５の内面に固着されるという問題が回避される。
【００３０】
ただしこのようなロータ５０、６０とポンプケーシング１５の内面の位置関係では、ポンプの停止時に凝縮する水分の量が、許容量（ポンプケーシング１５内面の落下水分によって濡れる表面積と隙間の寸法の積（すなわち体積）によって定まる）を超えるようになると、ロータ５０、６０の下側の羽根とこれに対向するポンプケーシング１５の内面との間で凍結による固着が生じる可能性がある。
【００３１】
このような問題を回避するためには、図４に示すように、第１のロータ５０および第２のロータ６０を、ロータの長手方向（一方の羽根部の外端と他方の羽根部の外端を結ぶ距離が最大となる直線の方向）が鉛直方向と平行ではなく、それぞれ鉛直方向に対してある傾きαおよびβを有するような位置で停止させる。この傾きαは、第１のロータの下側の羽根５０ｂの外周部のうち、第１のロータの回転中心（第１の回転軸の通る点）Ｏを通る鉛直線Ｌ１からの、ポンプ室の内方側の距離が最大となる位置をＲとしたとき、Ｒから鉛直方向に延びる直線が吐出口３０を通るように定められることに留意する必要がある。同様に、傾きβは、第２のロータの下側の羽根６０ｂの外周部のうち、第２のロータの回転中心（第２の回転軸の通る点）Ｐを通る鉛直線Ｌ２からの、ポンプ室の内方側の距離が最大となる位置をＳとしたとき、Ｓから鉛直方向に延びる直線が吐出口３０を通るように定められる。ポンプ１０の停止時に、このような位置で両ロータを停止させた場合、低温環境において残留水分がロータ表面に凝縮しても、凝縮水は、ロータ表面から重力により落下して、吐出口３０から排出される。従ってロータとこれに対向するケーシングの内面で、凍結が生じる可能性をさらに抑制することができる。
【００３２】
なお、図３、４のように互いに自由な位置関係で２つのロータ５０および６０を停止させるには、ポンプ１０の作動を停止する際に、第２の回転軸４０に取り付けられた第２のタイミングギヤ７２を第１のタイミングギヤ７０から切り離し、一方のロータ５０または６０が、他方のロータ６０または５０の位置に拘束されずに停止できるようにする切替手段８０が必要となる。このような切替手段８０は、例えば、公知の電磁カップリング（クラッチ）等と永久磁石との組み合わせによって、容易に形成することができる。例えば、ポンプの停止時に、電磁カップリング７４（図２参照）を制御して、第２のタイミングギヤ７２をスライドさせて、第１のタイミングギヤ７０から切り離すとともに、ポンプ室外の適当な位置に設置された永久磁石（図示されていない）によって、各ロータの羽根部が所定の位置関係（例えば上下関係）となるように停止させる。
【００３３】
なおポンプ１０の作動時には、再び電磁カップリング７４等の切り替え手段８０によって、第２のタイミングギヤ７２が、前述の方向とは逆の方向にスライドして、第１のタイミングギヤ７０に噛合され、第１のロータ５０と第２のロータ６０の位置関係は、図２の状態、すなわち相互に９０゜の位相差となる状態に戻される。次に駆動用モータ４５によって、第１の回転軸３５が回転されると第１のロータ５０が回転するとともに、この動きが両タイミングギヤ７０、７２を介して第２の回転軸４０に伝わり、第２の回転軸４０の回転によって第２のロータ６０が、第１のロータ５０に対して９０゜の位相差で回転される。
【００３４】
このように、本発明のポンプでは、ロータとこれに対向するケーシング内面の隙間に凝縮水が溜まりにくい位置でロータを停止させるようにしたため、凝縮水が凍結してもロータの固着は生じにくく、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。
【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５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。ただし、本発明は水素ガス以外の燃料を用いる燃料電池システムに適用できることは勿論である。
【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、常閉電磁弁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電磁弁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、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、ポンプ室内では凝縮水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５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】本発明のポンプの作動時のポンプ室内の概略図である。
【図３】本発明のポンプの停止時の、ポンプ室内でのロータの停止位置を示す概略図である。
【図４】本発明のポンプの停止時の、ポンプ室内でのロータの別の停止位置を示す概略図である。
【図５】本発明のポンプを水素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
５０ａ、ｂ  第１のロータの羽根部
６０    第２のロータ
６０ａ、ｂ  第２のロータの羽根部
７０    第１のタイミングギヤ
７２    第２のタイミングギヤ
７４    電磁カップリング
８０    切替手段
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。
【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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