(57)【要約】【課題】シール材を使用することなく、回転軸とハウジングとの間のシール性を確保する。【解決手段】燃料電池３から排出される排出燃料を、水素循環通路１５を通して循環させて燃料電池３に再度供給する水素循環ポンプ１は、モータコイル４９を備えるモータ部５０の回転軸３３の下部に羽根車３９を備えている。羽根車３９より上部の回転軸３３の外周面３３ａに、螺旋状の突起３３ｂを設け、回転軸３３の回転により、ポンプ室４１から回転軸３３の外周側の隙間５３に浸入しようとする凝縮水をポンプ室４１側に移送する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ部の回転軸上に羽根車を設けたポンプにおいて、前記モータ部と前記羽根車との間の前記回転軸の外周面と、この回転軸の外周面に対向するハウジングの内周面との間に隙間を有し、前記回転軸の外周面と前記ハウジングの内周面との少なくともいずれか一方に、前記回転軸の回転によって前記隙間内の流体を前記モータ部側から前記羽根車側に向けて移送する螺旋部を設けたことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記螺旋部は、螺旋状の突起で構成したことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記螺旋部は、螺旋状の溝で構成したことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
前記螺旋部の軸方向の間隔を、前記モータ部側と前記羽根車側とで変化させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポンプ。
【請求項５】
前記回転軸の外周面と前記ハウジングの内周面との少なくともいずれか一方に撥水処理を施したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のポンプ。
【請求項６】
前記回転軸の外周面と前記ハウジングの内周面との少なくともいずれか一方に親水処理を施したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のポンプ。
【請求項７】
前記モータ部付近における、前記回転軸の外周面と前記ハウジングの内周面との少なくともいずれか一方に、凹部を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のポンプ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のポンプは、燃料電池から排出される排出燃料を、燃料循環通路を通して循環させて前記燃料電池に再度供給する燃料循環ポンプであり、この燃料循環ポンプを前記燃料循環通路に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の運転を停止したときに、前記燃料循環ポンプを作動させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。  
【請求項１０】
前記燃料電池の運転を停止した後の経過時間を計測する時間計測手段を設け、この時間計測手段が所定時間計測したときに、前記燃料循環ポンプを作動させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。  
【請求項１１】
前記燃料電池から排出される排出燃料の温度を検出する温度検出手段を設け、この温度検出手段が、前記燃料電池の運転を停止した後の前記排出燃料の温度が所定温度まで低下したことを検出したときに、前記燃料循環ポンプを作動させることを特徴とする請求項９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、モータ部の回転軸上に羽根車を設けたポンプおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば下記特許文献１に記載されたような、回転軸であるポンプ軸の一端側に羽根車が設けられ、ポンプ軸の他端側がモータ部に接続されるポンプにおいて、羽根車側とモータ部側との境界部におけるポンプ軸とポンプハウジングとの間を軸封する際には、シール材を使用することが通常行われている。
【特許文献１】特開平５−１８３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したような軸封する際に使用するシール材は、高速回転する際の高温化による劣化や、回転軸との間の摩擦に起因する摩耗によってシール漏れが発生し、またこの摩耗により出力低下を引き起こす。
【０００４】
そこで、本発明は、シール材を使用することなく、回転軸とハウジングとの間のシール性を確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、モータ部の回転軸上に羽根車を設けたポンプにおいて、前記モータ部と前記羽根車との間の前記回転軸の外周面と、この回転軸の外周面に対向するハウジングの内周面との間に隙間を有し、前記回転軸の外周面と前記ハウジングの内周面との少なくともいずれか一方に、前記回転軸の回転によって前記隙間内の流体を前記モータ部側から前記羽根車側に向けて移送する螺旋部を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、羽根車側からモータ部側に浸入しようとする流体は、モータ部の回転軸が回転することで、螺旋部に沿ってモータ部側から羽根車側へ向けて流れるので、羽根車側からモータ部側への流体の浸入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】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す、図２の燃料電池システムに使用する燃料循環ポンプとしての水素循環ポンプ１の断面図である。図２に示す燃料電池システムは、燃料電池３の水素入口３ａと、燃料である水素ガスを貯蔵する水素タンク５とを、水素供給通路７で接続し、水素供給通路７には、水素タンク５側から水素調圧弁９および水素圧力センサ１１を順次設置する。
【０００９】
水素圧力センサ１１は水素供給通路７内の水素圧力を検出し、この検出信号を取り込むコントロールユニット１３が、水素調圧弁９を開閉制御して水素タンク５からの水素供給量を調整する。
【００１０】
燃料電池３の水素出口３ｂには燃料循環通路としての水素循環通路１５の一端を接続し、水素循環通路１５の他端は、前記した水素供給通路７に接続する。そして、この水素循環通路１５に、本発明のポンプに相当する前記した水素循環ポンプ１を設置する。また、水素循環ポンプ１と燃料電池３の水素出口３ｂとの間の水素循環通路１５には、排出通路１７を設け、排出通路１７にパージ弁１９を設置する。パージ弁１９は、前記したコントロールユニット１３により適宜開閉制御され、排出通路１７から反応ガスを外部に排出する。
【００１１】
一方、燃料電池３の空気入口３ｃと空気コンプレッサ２１とは、空気供給通路２３で接続し、燃料電池３の空気出口３ｄには空気排出通路２５を接続する。これら空気供給通路２３には空気圧力センサ２７を、空気排出通路２５には空気調圧弁２９をそれぞれ設置する。
【００１２】
空気圧力センサ２７は空気供給通路２３内の空気圧力を検出し、この検出信号を取り込む前記したコントロールユニット１３が、空気コンプレッサ２１を回転数制御するとともに、空気調圧弁２９を開閉制御して燃料電池３に供給する空気流量を調整し、空気供給通路２３内の圧力を調整する。
【００１３】
次に、水素循環ポンプ１の構造を図１に基づき説明する。ハウジング３１内には、図１中で上下方向に延びる回転軸３３を、上下両端のベアリング３５，３７を介して回転可能に収容する。回転軸３３の下部には羽根車３９を、ポンプ室４１内に収容した状態で固定する。ポンプ室４１の外周側上部には流体流路４３を設け、流体流路４３の図１中で右側の端部に吸入口４５を、同左側の端部に吐出口４７をそれぞれ連通するよう形成する。
【００１４】
回転軸３３の図１中で上部外周側のハウジング３１には、モータコイル４９を設けてモータステータを構成する一方、モータコイル４９に対向して回転軸３３の外周面に、永久磁石５１を円周方向に沿って複数設けてモータロータを構成し、これによりモータ部５０を構成する。
【００１５】
したがって、図１に示す水素循環ポンプ１は、モータ部５０の回転軸３３上に羽根車３９を設けていることになる。
【００１６】
ここで、回転軸３３の外周面３３ａと、これに対向するハウジング３１の内周面３１ａとの間には環状の隙間５３を設けてあり、この隙間５３に向けて突出する螺旋部となる螺旋状の突起３３ｂを、回転軸３３の外周面３３ａに形成する。螺旋状の突起３３ｂは、回転軸３３上の羽根車３９を設けた部分から、モータコイル４９を設けた部分のほぼ中央にわたり形成する。このため、複数の永久磁石５１は、突起３３ｂによって軸方向に沿って分割される場合がある。
【００１７】
このような構造の水素循環ポンプ１を備えた燃料電池システムにおいて、水素タンク５内の燃料は、水素供給通路７を流れる際に、水素調圧弁９で減圧して圧力調整された後、燃料電池３に供給される一方、空気コンプレッサ２１で圧縮された空気が、空気供給通路２３を通って燃料電池３に供給され、それぞれ供給された水素と空気とで燃料電池３が発電する。
【００１８】
発電状態の燃料電池３は、余剰の燃料を水素循環通路１５に排出し、この排出水素が水素循環ポンプ１の駆動により再度水素供給通路７を経て燃料電池３に供給される一方、排出する空気を空気排出通路２５を経て外部に放出する。
【００１９】
ここで、水素循環ポンプ１は、モータ部５０の駆動により回転軸３３が一定方向に回転し、これに伴い羽根車３９が回転することで、燃料電池３から水素循環通路１５に流出した排出水素を、吸入口４５からポンプ室４１内に吸い込んだ後、吐出口４７から水素供給通路７側の水素循環通路１５に吐出する。
【００２０】
この際、燃料電池３から排出される水素中には、凝縮水が含まれるが、この凝縮水がポンプ室４１に流入すると、回転軸３３の回転に伴う螺旋状の突起３３ｂの流体移送作用により、隙間５３への凝縮水の浸入を防止し、モータ部５０における特にモータコイル４９への水分の浸入を防止することができる。このように、導電性流体である凝縮水のモータ部５０への浸入を防止することで、モータコイル４７などの電気部品の絶縁抵抗低下を防止でき、燃料電池システムを安定して運転することが可能となる。
【００２１】
また、例え、上記した凝縮水がポンプ室４１から隙間５３に入り込んだとしても、回転軸３３の回転に伴う螺旋状の突起３３ｂの、モータ部５０側から羽根車３９側への流体移送作用により、隙間５３内の凝縮水をポンプ室４１側に送り込むことができ、モータ部５０への凝縮水の浸入を回避することができる。
【００２２】
ここで、上記した水素循環ポンプ１は、図３（ａ）で示すように、水素循環流量Ｑが増加すると、突起３３ｂによる凝縮水の移送量が増加し、また図３（ｂ）で示すように、水素循環流量Ｑが増加すると回転軸３３の回転数も増加する。よって、水素循環ポンプ１の回転数と凝縮水の移送量は比例することになる。
【００２３】
水素循環流量Ｑが多い場合には、水素循環ポンプ１に凝縮水が多く入り込むが、このとき水素循環ポンプ１の回転数が高いために凝縮水を多く移送することができる。逆に、水素循環流量Ｑが少ない場合には、水素循環ポンプ１に入り込む凝縮水が少なくなるが、水素循環ポンプ１の回転数が低いために凝縮水を適度に移送できる。
【００２４】
このように、回転軸３３の外周面３３ａに螺旋状の突起３３ｂを設けることで、凝縮水の量に対応した流体移送効果を得ることができ、モータ部５０への凝縮水の浸入防止を効率的に行うことができる。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す水素循環ポンプ１Ａの断面図である。この実施形態における水素循環ポンプ１Ａは、前記図１に示した第１の実施形態における水素循環ポンプ１の螺旋状の突起３３ｂに代えて、螺旋状の溝３３ｃを回転軸３３の外周面３３ａに設けている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２６】
第２の実施形態においても、回転軸３３の回転に伴う螺旋状の溝３３ｃの流体移送作用により、隙間５３への凝縮水の浸入を防止でき、また例え凝縮水が隙間５３へ浸入したとしても、この浸入した凝縮水を羽根車３９側に移送することができ、モータ部５０への凝縮水の浸入を回避することができる。
【００２７】
なお、前記した図１の回転軸３３に設けた螺旋状の突起３３ｂや図４の螺旋状の溝３３ｃに代えて、ハウジング３１の内周面３１ａに螺旋状の突起や溝を設けてもよく、また、これら螺旋状の突起や溝を、回転軸の外周面３３ａとハウジング３１と内周面３１ａとの双方に設けてもよい。
【００２８】
本発明の第３の実施形態として、特に図示しないが、前記図１に示した第１の実施形態の水素循環ポンプ１や前記図４に示した第２の実施形態の水素循環ポンプ１Ａにおける、螺旋状の突起３３ｂや螺旋状の溝３３ｃの軸方向の間隔を、モータ部５０側と羽根車３９側とで変化させる。具体的には、突起３３ｂや溝３３ｃの軸方向の間隔を、モータ部５０側で狭く、羽根車３９側で広くする。
【００２９】
ところで、凝縮水は、水素循環通路１５からポンプ室４１に流入してくるために、回転軸３３のポンプ室４１側の下方に多く溜まる一方、モータ部５０側の上方においては下方に比較して少ないものとなる。
【００３０】
そこで、凝縮水が少ない図１中で上方部位における螺旋状の突起３３ｂや溝３３ｃの間隔を狭くすることで、凝縮水を掻き出す回数を増やし、凝縮水の移送能力を高めることができる。逆に、凝縮水が多く溜まる図１中で下方部位における螺旋状の突起３３ｂや溝３３ｃの間隔を狭めると、流体移送作用がなされる際の抵抗が大きくなってポンプ効率の悪化を招くので、凝縮水が多く溜まる部位の上記間隔を広げることで、多くの凝縮水を効率よく移送することができる。
【００３１】
本発明の第４の実施形態として、特に図示しないが、前記した第１〜第３の各実施形態の水素循環ポンプにおける回転軸３３の外周面３３ａと、ハウジング３１の内周面３１ａとの少なくともいずれか一方に、撥水処理を施している。
【００３２】
上記のように撥水処理した回転軸３３の外周面３３ａやハウジング３１の内周面３１ａにおいては、浸入してくる凝縮水に表面張力が発生するので、回転軸３３を回転させることにより、外周面３３ａや内周面３１ａ上の凝縮水が離れやすくなり、凝縮水をより効率的にポンプ室４１側に移送することができる。
【００３３】
本発明の第５の実施形態として、特に図示しないが、前記した第１〜第３の各実施形態の水素循環ポンプにおける回転軸３３の外周面３３ａと、ハウジング３１の内周面３１ａとの少なくともいずれか一方に、親水処理を施している。
【００３４】
上記のように親水処理した回転軸３３の外周面３３ａやハウジング３１の内周面３１ａにおいては、浸入してくる凝縮水が馴染むので、回転軸３３を回転させることにより、外周面３３ａや内周面３１ａ上の凝縮水が流れやすくなり、凝縮水をより効率的にポンプ室４１側に移送することができる。
【００３５】
図５は、本発明の第６の実施形態を示す水素循環ポンプ１Ｂの断面図である。この実施形態における水素循環ポンプ１Ｂは、前記図１に示した第１の実施形態における水素循環ポンプ１または前記図４に示した第２の実施形態における水素循環ポンプ１Ａの回転軸３３の螺旋状の突起３３ｂまたは溝３３ｃの上部位置に、環状の凹部５５を設けている。その他の構成は、第１の実施形態や第２の実施形態と同様である。
【００３６】
第６の実施形態は、回転軸３３の外周面３３ａに螺旋状の突起３３ｂまたは溝３３ｃを設けることで、第１の実施形態や第２の実施形態と同様の効果を有する他、ポンプ室４１内の凝縮水が例え隙間５３を通ってモータ部５０側に浸入したとしても、この凝縮水は、回転軸３３の上部に設けた凹部５５に一旦入り込み捕捉されるので、モータコイル４９への凝縮水の浸入を防止することができる。
【００３７】
なお、上記した回転軸３３の外周面３３ａに凹部５５を設ける代わりに、モータコイル４９より図５中で下部側におけるハウジング３１の内周面３１ａに、凹部を設けてもよく、このような凝縮水を捕捉する凹部は、回転軸の外周面３３ａとハウジング３１の内周面３１ａとの双方に設けてもよい。
【００３８】
本発明の第７の実施形態として、特に図示しないが、燃料電池３の運転を停止したときに、前記した第１〜第６の各実施形態におけるいずれかの水素循環ポンプ１，１Ａ，１Ｂを、コントロールユニット１３の指令により一定時間作動させる。
【００３９】
これにより、燃料電池１の停止時に回転軸３３の外周側の隙間４１内に残る凝縮水を、ポンプ室４１側に移送排出することができ、燃料電池１の停止時でのモータコイル４９への凝縮水の浸入を防止でき、次の運転開始時でのモータコイル４９の絶縁抵抗を所望に確保でき、燃料電池システムとして安定した運転を行うことができる。
【００４０】
図６は、本発明の第８の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。第８の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態に、燃料電池３の運転を停止した後の経過時間を計測する時間計測手段としてのタイマ５７を追加して設けている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４１】
タイマ５７は、図７のフローチャートに示すように、燃料電池３の運転を停止した後の任意の時間ｎ1を計測した時点で（ステップ７０１）、その計測信号をコントロールユニット１３が取り込み、これに基づき水素循環ポンプ１を任意の一定時間（ｎ2）作動させる（ステップ７０３，７０５，７０７）。
【００４２】
上記した燃料電池３の運転を停止した後の任意の一定時間ｎ1とは、燃料電池３の停止後、水素循環ポンプ１内の温度が下がり水素中に含まれる水分が凝縮しうる時間であり、これにより隙間５３内に残っている凝縮水だけでなく、温度低下により凝縮した凝縮水についても、ポンプ室４１に移送することができ、燃料電池３の停止後の凝縮水のモータ部５０への浸入を確実に防止することができる。
【００４３】
図８は、本発明の第９の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。第８の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態に、燃料電池３から排出される排出燃料の温度を検出する温度手段としての温度センサ５９を追加して設けている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００４４】
温度センサ５９は、図９のフローチャートに示すように、燃料電池３の運転を停止した後の排出燃料の温度が所定温度ｔ1まで低下したことを検出したときに、その検出信号をコントロールユニット１３が取り込み、これに基づき水素循環ポンプ１を任意の一定時間ｔ2作動させる（ステップ９０３，９０５，９０７）。
【００４５】
上記した燃料電池３の運転を停止した後の排出燃料の任意の所定温度ｔ1とは、燃料電池３の停止後に、水素中に含まれる水分が凝縮しうるまで下がった温度であり、これにより隙間５３内に残っている凝縮水だけでなく、温度低下により凝縮した凝縮水についても、ポンプ室４１に移送排出することができ、燃料電池３の停止後の凝縮水のモータ部５０への浸入を確実に防止することができる。
【００４６】
なお、上記した第９の実施形態では、温度センサ５９が排出燃料の温度を直接検出するようにしているが、排出燃料を間接的に検出する構成としてもよい。例えば、温度センサ５９が水素循環ポンプ１のポンプ室４１近傍の温度を検出することで、排出燃料の温度を間接的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、図２の燃料電池システムに使用する水素循環ポンプの断面図である。
【図２】第１の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図３】（ａ）は、図１に示す水素循環ポンプの水素循環流量と凝縮水移送量との相関図、（ｂ）は、同水素循環流量と軸回転数との相関図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す水素循環ポンプの断面図である。
【図５】本発明の第６の実施形態を示す水素循環ポンプの断面図である。
【図６】本発明の第８の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】第８の実施形態に係わるフローチャートである。
【図８】本発明の第９の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図９】第９の実施形態に係わるフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１，１Ａ，１Ｂ  水素循環ポンプ（燃料循環ポンプ）
１５  水素循環通路（燃料循環通路）
３１  ハウジング
３１ａ  ハウジングの内周面
３３  回転軸
３３ａ  回転軸の外周面
３３ｂ  螺旋状の突起（螺旋部）
３３ｃ  螺旋状の溝（螺旋部）
３９  羽根車
５０  モータ部
５５  回転軸の上部外周面に設けた凹部
５７  タイマ（時間計測手段）
５９  温度センサ（温度検出手段）
【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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【図７】
2007192202.tif 000009
【図８】
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【図９】
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