(57)【要約】【課題】モータ室内の水素濃度が爆発雰囲気になることを防止することができ、かつ水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室を製造することができる水素循環ポンプ及び該水素循環ポンプを用いた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システムの水素循環経路を構成する水素循環ポンプＰは、駆動ロータ５５及び従動ロータ５６の回転によって水素ガスを移送するポンプ部３１と、モータ室３８内に駆動軸４６を回転駆動させる電動モータＭが収容されてなる駆動部３２を備えている。また、水素循環ポンプＰは、駆動軸４６に沿ったポンプ室３５からの水素ガスの漏れを抑制するリップシール４８を備えている。モータ室３８には、燃料電池の酸素電極側から排出された排ガスをモータ室３８内に導入させる導入口３２ａと、モータ室３８内に導入された排ガスを排出する排出口３２ｂとが設けられている。【選択図】      図３
2007024015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環ポンプであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に区画形成されたポンプ室及びモータ室と、
少なくとも前記ポンプ室内及びモータ室内に配設された回転軸と、
前記ハウジング内を前記ポンプ室とモータ室に区画する区画部と、
前記区画部に形成され、前記回転軸が挿通された軸孔と、
前記ポンプ室から前記モータ室への水素ガスの漏れを抑制する軸シールとを備え、
前記ポンプ室内には前記回転軸の回転に基づいて水素ガスを移送するガス移送体を備えるとともに、前記モータ室内には前記回転軸を回転駆動させる電動モータを備え、
前記モータ室には前記燃料電池の酸素電極側から排出された排ガスを前記モータ室内に導入させる導入口と、少なくともモータ室内に導入された前記排ガスを排出する排出口とを設けたことを特徴とする水素循環ポンプ。
【請求項２】
前記導入口と排出口は、前記モータ室における前記区画部側であり、かつ前記回転軸の径方向に対向する位置に設けられている請求項１に記載の水素循環ポンプ。
【請求項３】
前記導入口と排出口は、前記回転軸の軸方向に沿ったモータ室の両端側であり、かつ前記回転軸を介した反対側に設けられている請求項１に記載の水素循環ポンプ。
【請求項４】
燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環ポンプであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に区画形成されたポンプ室及びモータ室と、
少なくとも前記ポンプ室内及びモータ室内に配設された回転軸と、
前記ハウジング内を前記ポンプ室とモータ室に区画する区画部と、
前記区画部に形成され、前記回転軸が挿通された軸孔と、
前記ポンプ室から前記モータ室への水素ガスの漏れを抑制する軸シールとを備え、
前記ポンプ室内には前記回転軸の回転に基づいて水素ガスを移送するガス移送体を備えるとともに、前記モータ室内には前記回転軸を回転駆動させる電動モータを備え、
前記ポンプ室内における前記区画部側、前記モータ室内における前記区画部側、又はポンプ室とモータ室との間にはガス室が区画されているとともに、前記ガス室内には前記回転軸が配設されており、前記ガス室には前記燃料電池の酸素電極側から排出された排ガスを前記ガス室内に導入させる導入口と、少なくともガス室内に導入された前記排ガスを排出する排出口とを設けたことを特徴とする水素循環ポンプ。
【請求項５】
前記電動モータは、ステータと、該ステータの内側において前記回転軸に設けられたロータとからなり、さらに前記ロータに希土類永久磁石が埋め込まれた埋込磁石型モータである請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の水素循環ポンプ。
【請求項６】
前記軸シールは、リップシールである請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の水素循環ポンプ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の水素循環ポンプが水素循環経路に用いられており、
前記導入口と前記燃料電池の酸素電極側を導入管によって連結し、前記排出口に排出管を連結したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記導入管には流量調整弁が設けられ、前記排出管には絞りが設けられている請求項７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、水素循環経路を構成する水素循環ポンプ及び該水素循環ポンプを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池車に搭載された燃料電池システムでは、水素と酸素の反応による燃料電池の発電に伴い生成された水を該燃料電池内から排出するために、水素ガス及び酸素ガスを発電に必要な消費量よりも多く燃料電池に供給するようにしている。このため、燃料電池から排出される水素ガス（いわゆる水素オフガス）には、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素が含まれている。この水素オフガスを利用するために、燃料電池システムには、水素オフガスを燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられ、この水素循環経路には水素オフガスを循環させるための水素ポンプが設けられている。
【０００３】
前記水素ポンプとしては、例えば、電動ルーツ式ポンプが用いられる。この電動ルーツ式ポンプは、ポンプ部と、電動モータを備えたモータ部（駆動部）とから構成されている。前記モータ部の電動モータからは前記ポンプ部へ回転軸が延設されている。また、前記ポンプ部のポンプ室内には一対のロータが収容されている。そして、モータ部の回転に伴う回転軸の回転により前記一対のロータが回転すると、前記水素オフガスはポンプ室に吸入され、さらには、ポンプ室から吐出されて燃料電池に再供給される。
【０００４】
前記水素ポンプには、前記ポンプ室内へ吸入された水素オフガスがモータ部へ流入し、その水素オフガスによってモータ部内の水素濃度が爆発雰囲気になることを防止するための構成が設けられている。すなわち、ポンプ部とモータ部の間であって、回転軸の周囲にはゴム製のリップシールが設けられている。そして、このリップシールによって回転軸に沿ったポンプ部からモータ部への水素オフガスの漏れが抑制され、モータ部内の水素濃度が前記爆発雰囲気になることを防止している。
【０００５】
ところが、前記リップシールは、ゴム製であるため、水素ガスがリップシールを透過してポンプ部から漏れてモータ部へ流入してしまう。そこで、水素ポンプにおいては、モータ部内へ高濃度の水素ガスを積極的に導入し、モータ部内の水素濃度が前記爆発雰囲気を超えるようにして水素濃度が爆発雰囲気となることを防止するものも存在する（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に記載の水素ポンプのハウジングには、水素ガスの吸入口と吐出口が設けられ、前記ハウジング内にモータ部（電動モータ）とポンプ部が密封されている。そして、水素供給源から供給された高濃度の水素ガスは、吸入口からハウジング内に吸入され、ハウジング内の水素濃度を爆発雰囲気よりも高くし、さらには、圧縮機で圧縮されて吐出口からハウジング外へ吐出される。
【特許文献１】特開２００４−２５１１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示された水素ポンプにおいては、モータ部内へ高濃度の水素ガスが供給されている。このため、モータ部が、水素により脆化する材料を用いて製造されていると、高濃度の水素ガスによってモータ部が脆化してしまう。このため、特許文献１に開示の水素ポンプにおいては、モータ部を水素ガスに対する耐性が強い材料を選定して製造しなければならない。
【０００８】
本発明は、モータ室内の水素濃度が爆発雰囲気になることを防止することができ、かつ水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室を製造することができる水素循環ポンプ及び該水素循環ポンプを用いた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素循環ポンプは、燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環ポンプであって、ハウジングと、前記ハウジング内に区画形成されたポンプ室及びモータ室と、少なくとも前記ポンプ室内及びモータ室内に配設された回転軸と、前記ハウジング内を前記ポンプ室とモータ室に区画する区画部と、前記区画部に形成され、前記回転軸が挿通された軸孔と、前記ポンプ室から前記モータ室への水素ガスの漏れを抑制する軸シールとを備え、前記ポンプ室内には前記回転軸の回転に基づいて水素ガスを移送するガス移送体を備えるとともに、前記モータ室内には前記回転軸を回転駆動させる電動モータを備え、前記モータ室には前記燃料電池の酸素電極側から排出された排ガスを前記モータ室内に導入させる導入口と、少なくともモータ室内に導入された前記排ガスを排出する排出口とを設けた。
【００１０】
これによれば、燃料電池の酸素電極側からの排ガスを導入口からモータ室内へ導入し、排出口からモータ室外へ排出させることで、モータ室内に前記排ガスを流通させることができる。このため、水素ガスが軸シールを透過してポンプ室からモータ室に向かって流れても、モータ室内を流通する排ガスとともに水素ガスをモータ室外へ排出することができる。したがって、モータ室内に水素ガスが滞留することがなくなり、モータ室内の水素濃度を非常に低く抑えて爆発雰囲気になることを防止することができる。また、モータ室内の水素濃度が非常に低く抑えられるため、水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室を製造することができる。
【００１１】
また、前記導入口と排出口は、前記モータ室における前記区画部側であり、かつ前記回転軸の径方向に対向する位置に設けられていてもよい。
これによれば、排ガスが導入口からモータ室内へ導入され、排出口からモータ室外へ排出されることで、モータ室の区画部側には、回転軸の径方向へ横断する方向へ排ガスを流通させることができる。その結果として、モータ室の区画部側には、排ガスによるエアカーテンが形成され、該エアカーテンによってモータ室内にて水素ガスが電動モータ側へ流入することを抑制することができる。
【００１２】
また、前記導入口と排出口は、前記回転軸の軸方向に沿ったモータ室の両端側であり、かつ前記回転軸を介した反対側に設けられていてもよい。
これによれば、排ガスが導入口からモータ室内へ導入され、排出口からモータ室外へ排出されることで、排ガスをモータ室の一端側から他端側へ流通させることができる。その結果として、モータ室内に流入した水素ガスのほとんどを排ガスとともにモータ室外へ排出することができる。
【００１３】
また、本発明の水素循環ポンプは、燃料電池で使用されなかった水素ガスを水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環ポンプであって、ハウジングと、前記ハウジング内に区画形成されたポンプ室及びモータ室と、少なくとも前記ポンプ室内及びモータ室内に配設された回転軸と、前記ハウジング内を前記ポンプ室とモータ室に区画する区画部と、前記区画部に形成され、前記回転軸が挿通された軸孔と、前記ポンプ室から前記モータ室への水素ガスの漏れを抑制する軸シールとを備え、前記ポンプ室内には前記回転軸の回転に基づいて水素ガスを移送するガス移送体を備えるとともに、前記モータ室内には前記回転軸を回転駆動させる電動モータを備え、前記ポンプ室内における前記区画部側、前記モータ室内における前記区画部側、又はポンプ室とモータ室との間にはガス室が区画されているとともに、前記ガス室内には前記回転軸が配設されており、前記ガス室には前記燃料電池の酸素電極側から排出された排ガスを前記ガス室内に導入させる導入口と、少なくともガス室内に導入された前記排ガスを排出する排出口とを設けた。
【００１４】
これによれば、軸シールを透過してポンプ室からモータ室に向かって流れてきた水素ガスをガス室内へ導入することができる。そして、燃料電池の酸素電極側からの排ガスを導入口からガス室内へ導入し、排出口からガス室外へ排出させることで、ガス室内に前記排ガスを流通させることができる。その結果、ガス室に導入された水素ガスは、酸素電極側からの排ガスによってガス室外へ排出することができ、ガス室よりもモータ室側で水素ガスが滞留することをなくすことができる。したがって、モータ室内の水素濃度を非常に低く抑えて爆発雰囲気になることを防止することができる。また、モータ室内の水素濃度が非常に低く抑えられるため、水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室を製造することができる。
【００１５】
また、前記電動モータは、ステータと、該ステータの内側において前記回転軸に設けられたロータとからなり、さらに前記ロータに希土類永久磁石が埋め込まれた埋込磁石型モータであってもよい。
【００１６】
これによれば、モータ室内の水素濃度が非常に低く抑えられるため、モータ室内の電動モータを水素ガスに対する耐性を考慮することなく選択することができる。このため、電動モータとして、水素ガスにより脆化しやすい希土類永久磁石をロータに埋め込んだ埋込磁石型モータを用いることが可能となる。そして、希土類永久磁石をロータに埋め込んだ埋込磁石型モータは、希土類永久磁石以外の磁石をロータに埋め込んだ埋込磁石型モータに比して体格が小型であり、高トルク、かつ高効率・低発熱である。したがって、希土類永久磁石をロータに埋め込んだ埋込磁石型モータを電動モータとして用いることで、モータ室を小型化することができ、その結果として水素循環ポンプの体格を小型化できるとともに、水素循環ポンプの性能を向上させることができる。
【００１７】
また、前記軸シールは、リップシールであってもよい。これによれば、ポンプ室からモータ室に向かって流れた水素ガスは、モータ室内へ導入された排ガスによってモータ室外へ排出される。したがって、回転軸に沿ったポンプ室からの水素ガスの漏れを抑制する軸シールの構成はリップシールで十分である。このため、例えば、軸シールとして、ダイヤフラム、マグネットカップリング、油圧を利用した軸シール手段を設ける場合に比して軸シールの構成を簡易化し、かつ小型化することができる。
【００１８】
本発明の水素循環ポンプを用いた燃料電池システムは、請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の水素循環ポンプが水素循環経路に用いられており、前記導入口と前記燃料電池の酸素電極側を導入管によって連結し、前記排出口に排出管を連結した。
【００１９】
これによれば、燃料電池システムは、燃料電池の酸素電極側からの排ガスを導入口へ導入し、排出口から排出させることで、モータ室内に水素ガスが滞留することがなくなり、モータ室内の水素濃度を非常に低く抑えて爆発雰囲気になることを防止することができる。したがって、燃料電池システムにおける既存の構成を用い、さらには、排出されていた酸素電極側からの排ガスを利用してモータ室内の水素濃度が爆発雰囲気になることを防止することができる。
【００２０】
また、前記導入管には流量調整弁が設けられ、前記排出管には絞りが設けられていてもよい。これによれば、ポンプ室での水素ガスの移送量に依存して流量調整弁の開度を調整し、さらに絞りによって排ガスの排出量を絞ることができる。その結果として、ポンプ室の圧力が、ハウジング内で高くなりすぎたり、低くなりすぎたりすることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、モータ室内の水素濃度が爆発雰囲気になることを防止することができ、かつ水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を水素循環ポンプ及び燃料電池システムに具体化した第１の実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１は燃料電池システムの構成図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
【００２４】
酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのエアーコンプレッサ１４を備え、エアーコンプレッサ１４は燃料電池１１のカソード側（酸素電極側）の酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器（図示せず）が設けられている。燃料電池１１の酸素電極側の酸素排出ポート（図示せず）には、発電のための化学反応で発生した水蒸気の状態の水と、未反応の空気とを排出する排管１６が連結されている。燃料電池１１の酸素電極側から排出された未反応の空気は、その酸素濃度が燃料電池１１へ供給される前より低くなっており、また、窒素ガスも含まれる不活性ガスである。
【００２５】
前記水素供給手段１３は、水素源としての水素タンク２２を備えている。水素タンク２２は燃料電池１１のアノード側（水素電極側）の水素供給ポート（図示せず）に管路２３を介して連結され、管路２３の途中にレギュレータ（図示せず）が設けられている。前記レギュレータは、水素タンク２２に高圧で貯蔵された水素ガスを所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。
【００２６】
また、水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素ガス（水素）を水素タンク２２（水素源）から供給される水素ガスと合流させて燃料電池１１に供給可能な水素循環経路１７を備えている。水素循環経路１７には水素循環ポンプＰが設けられており、水素循環ポンプＰとしては水素ガスを送り出す構成のものが使用され、本実施形態では電動ルーツ式ポンプが使用されている。また、水素循環ポンプＰは、水素ガスを移送するポンプ部３１と該ポンプ部３１を駆動する駆動部３２とから構成されている。
【００２７】
燃料電池の水素電極側の水素排出ポート（図示せず）には水素循環ポンプＰのポンプ部３１が管路１８を介して連結され、該ポンプ部３１は燃料電池１１の水素電極側の水素供給ポート（図示せず）に管路１９，２３を介して連結されている。そして、燃料電池１１の水素電極側、管路１８、水素循環ポンプＰのポンプ部３１及び管路１９，２３によって水素循環経路１７が構成されている。また、水素循環ポンプＰにて、前記駆動部３２は、導入管２４を介して前記酸素側電極の酸素排出ポートに連結された排管１６の途中で連結され、前記導入管２４の途中には流量調整弁としてのバルブＶが設けられている。前記バルブＶは、弁開度を調整することで導入管２４を流れる酸素電極側からの排ガスの流量を調整する。また、駆動部３２には排出管２５が連結されており、排出管２５の途中に絞り２６が設けられている。
【００２８】
次に、前記水素循環ポンプＰについて詳細に説明する。図３は、本実施形態の水素循環ポンプＰの断面図を示す。図３において左方を水素循環ポンプＰの前方とし、右方を水素循環ポンプＰの後方とする。
【００２９】
図３に示すように、本実施形態の水素循環ポンプＰのハウジングは、ロータハウジング３３と、該ロータハウジング３３の前端に接合されたギアハウジング３４と、該ギアハウジング３４の前端に接合されたモータハウジング３７とから構成されている。前記ロータハウジング３３は、第１ハウジング３３ａと、第２ハウジング３３ｂと、第３ハウジング３３ｃを有している。
【００３０】
そして、水素循環ポンプＰのハウジング内には、前記第１ハウジング３３ａと第２ハウジング３３ｂとの間に区画されたポンプ室３５が設けられている。また、水素循環ポンプＰのハウジング内には、第１ハウジング３３ａとギアハウジング３４との間に区画されたギア室３６が設けられ、モータハウジング３７とギアハウジング３４との間に区画されたモータ室３８が設けられている。そして、水素循環ポンプＰのハウジング内は、前記ギアハウジング３４と第１ハウジング３３ａによってポンプ室３５とモータ室３８に区画されており、前記ギアハウジング３４及び第１ハウジング３３ａは、ハウジング内にポンプ室３５とモータ室３８を区画する区画部Ｋを構成している。前記モータ室３８内には電動モータＭが収容されている。
【００３１】
水素循環ポンプＰにおいて、第１ハウジング３３ａには一対の第１軸孔４１が設けられ、第２ハウジング３３ｂには一対の第２軸孔４２が設けられている。さらに、ギアハウジング３４には第３軸孔４３が設けられ、モータハウジング３７には第４軸孔４４が設けられている。
【００３２】
そして、同軸上に位置する第１軸孔４１、第２軸孔４２、第３軸孔４３及び第４軸孔４４には、電動モータＭから延設された回転軸としての駆動軸４６が挿通されている。この駆動軸４６は、区画部Ｋを貫通し、モータ室３８内及びポンプ室３５内に配設されている。前記第１軸孔４１及び第３軸孔４３は、区画部Ｋにて駆動軸４６が挿通される軸孔を構成している。
【００３３】
この駆動軸４６は、前記第１軸孔４１に嵌め込まれた第１ベアリング５１、第２軸孔４２に嵌め込まれた第２ベアリング５２、第３軸孔４３に嵌め込まれた第３ベアリング５３、及び第４軸孔４４に嵌め込まれた第４ベアリング５４を介して各ハウジング３３ａ，３３ｂ，３４，３７に回転可能に軸支されている。また、もう一つの第１軸孔４１及び第２軸孔４２には、前記駆動軸４６と平行な従動軸４７が挿通されている。そして、前記従動軸４７は、前記第１軸孔４１に嵌め込まれた第１ベアリング５１と第２軸孔４２に嵌め込まれた第２ベアリング５２を介して各ハウジング３３ａ，３３ｂに回転可能に軸支されている。
【００３４】
駆動軸４６に沿って設けられた第１〜第３軸孔４１〜４３の周面と駆動軸４６の周面との間にはそれぞれ軸シールとしてのリップシール４８が介在されている。第１軸孔４１及び第３軸孔４３に設けられたリップシール４８は、駆動軸４６に沿ったポンプ室３５からモータ室３８への水素ガスの漏れを抑制している。また、第２軸孔４２に設けられたリップシール４８は、駆動軸４６に沿ったポンプ室３５から水素循環ポンプＰ外への水素ガスの漏れを抑制している。一方、従動軸４７に沿って設けられた第１及び第２軸孔４１，４２の周面と従動軸４７の周面との間にはそれぞれ軸シールとしてのリップシール４８が介在されている。第１軸孔４１に設けられたリップシール４８は、従動軸４７に沿ったポンプ室３５からギア室３６（モータ室３８側）への水素ガスの漏れを抑制し、第２軸孔４２に設けられたリップシール４８は、従動軸４７に沿ったポンプ室３５から水素循環ポンプＰ外への水素ガスの漏れを抑制している。
【００３５】
図２に示すように、ポンプ室３５内に配設された駆動軸４６には、ガス移送体としての駆動ロータ５５が止着され、ポンプ室３５内の従動軸４７には、ガス移送体としての従動ロータ５６が止着されている。駆動ロータ５５と従動ロータ５６は、駆動軸４６と従動軸４７の軸方向に直交する断面視が双葉状（瓢箪状）に形成されている。駆動ロータ５５と従動ロータ５６は、互いに噛合させた状態でポンプ室３５内に収容されている。
【００３６】
また、ポンプ室３５には、水素電極側から排出された水素ガスをポンプ室３５に吸入する前記吸入口３１ａが設けられ、該吸入口３１ａはロータハウジング３３の第２ハウジング３３ｂを貫通して形成されている。吸入口３１ａは管路１８を介して燃料電池１１の水素排出ポートに連結されている。また、ポンプ室３５には、ポンプ室３５内から水素ガスを吐出する吐出口３１ｂが設けられ、該吐出口３１ｂはロータハウジング３３にて前記吸入口３１ａの対向位置に形成されている。この吐出口３１ｂは、燃料電池１１の水素電極側の水素供給ポートに管路１９，２３を介して連結されている。
【００３７】
そして、駆動軸４６及び従動軸４７の回転に基づくポンプ室３５内での駆動ロータ５５及び従動ロータ５６の回転（移送動作）により、水素ガスが吸入口３１ａからポンプ室３５へ吸入され、さらに吐出口３１ｂからポンプ室３５外へ吐出される。この水素ガスの吸入及び吐出によって水素ガスは、水素循環経路１７上を移送される。
【００３８】
また、図３に示すように、前記ギア室３６には、駆動軸４６に固定された駆動ギア５８と従動軸４７に固定された従動ギア５９とが噛合連結された状態で収容されている。そして、駆動軸４６と従動軸４７は、前記駆動ギア５８と従動ギア５９によってギア連結されている。
【００３９】
前記駆動部３２における電動モータＭは、モータ室３８内において、モータハウジング３７の内周面３７ａに固定されたステータ３９と、ステータ３９の内側において駆動軸４６に設けられたロータ４０とからなり、該ロータ４０に磁石４０ａが埋め込まれた埋込磁石型モータ（いわゆる、ＩＰＭモータ）である。また、前記磁石４０ａとしては希土類永久磁石が用いられている。そして、電動モータＭは、ステータ３９のコイル（図示せず）に電力の供給を受けることで駆動軸４６を回転させる。駆動部３２において、モータハウジング３７の内周面３７ａとステータ３９の外周面との間には、駆動軸４６の軸方向へ延びるガス通路４９が複数箇所に設けられている。
【００４０】
モータ室３８の基端側、すなわち区画部Ｋ側（モータハウジング３７の後側）には、前記導入口３２ａがモータハウジング３７を貫通して設けられている。この導入口３２ａには、燃料電池１１の酸素電極側が排管１６及び導入管２４を介して連結されている。また、モータ室３８の先端側（モータハウジング３７の前側）には、前記排出口３２ｂがモータハウジング３７を貫通して設けられている。この排出口３２ｂには前記排出管２５が連結されている。そして、導入口３２ａは、モータ室３８において駆動軸４６の一端側に設けられ、排出口３２ｂは、モータ室３８において駆動軸４６の他端側に設けられている。すなわち、導入口３２ａと排出口３２ｂは、駆動軸４６の軸方向に沿ったモータ室３８の両端側であり、かつ前記駆動軸４６を介した反対側に設けられている。
【００４１】
次に、上記構成の燃料電池システム１０の動作について説明する。燃料電池システム１０において、水素タンク２２から水素ガスが燃料電池１１の水素電極側に供給される。また、エアーコンプレッサ１４が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１の酸素電極側に供給される。このとき、水素ガス（水素）の供給量及び空気（酸素）の供給量は、水素ガス及び空気が水素電極側又は酸素電極側と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、燃料電池１１では酸素と水素が反応して発電されるとともに、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排管１６から燃料電池１１外へ排出される。
【００４２】
水素循環ポンプＰでは、駆動部３２における電動モータＭの駆動によって駆動軸４６が回転することにより、駆動ギア５８と従動ギア５９との噛合連結を通じて従動軸４７が駆動軸４６とは異なる方向へ回転する。すると、ポンプ室３５内では、駆動ロータ５５と従動ロータ５６が回転する。駆動ロータ５５と従動ロータ５６の回転（ガス移送体の移送動作）に伴い、水素電極側から排出された水素ガス（燃料電池１１で使用されなかった水素ガス）が管路１８を介した吸入口３１ａからポンプ室３５内へ吸入される。その後、ポンプ室３５内に吸入された水素ガスが吐出口３１ｂからポンプ室３５外へ吐出される。そして、水素循環ポンプＰのポンプ部３１における水素ガスの移送によって、燃料電池１１の水素電極側から排出された水素ガスは、管路１９を介して水素タンク２２から供給される水素ガスと合流されて燃料電池１１の水素電極側へ再供給される。
【００４３】
また、酸素電極側から排管１６へ排出された未反応の空気（排ガス）は、導入管２４を介して駆動部３２の導入口３２ａへ導入され、モータ室３８内へ導入される。ここで、前記ポンプ室３５における水素ガスの移送量が多く、該ポンプ室３５内の圧力がモータ室３８内の圧力より高い場合には、バルブＶの開度を大きくする。すると、モータ室３８内には排ガスが多量に導入されるとともに絞り２６によってモータ室３８内の圧力は上昇し、モータ室３８内の圧力がポンプ室３５内の圧力に近づく。一方、ポンプ室３５における水素ガスの移送量が少なく、ポンプ室３５内の圧力がモータ室３８内の圧力より低い場合には、バルブＶの開度を小さくし、モータ室３８内の圧力をポンプ室３５内の圧力に近づける。すなわち、バルブＶの開度を調整し、絞り２６で絞ることで、ポンプ室３５の圧力とモータ室３８の圧力の差圧を小さくし、ハウジング内にてポンプ室３５の圧力のみが高くなりすぎたり、低くなりすぎたりすることを抑制する。
【００４４】
さて、ポンプ室３５内の水素ガスが駆動軸４６に沿ってモータ室３８へ漏れることはリップシール４８によって抑制されているが、水素ガスがリップシール４８を透過してモータ室３８へ流入したとする。このとき、モータ室３８内には導入口３２ａから酸素電極側からの排ガスが導入されている。この排ガスは、酸素濃度の低い不活性ガスであり、水素ガスと反応することなくモータ室３８内を流れる。そして、モータハウジング３７の後側に導入口３２ａが設けられ、モータハウジング３７の前側に排出口３２ｂが設けられている。すなわち、導入口３２ａと排出口３２ｂは、モータ室３８において駆動軸４６の軸方向に沿った両端側に位置ずれした位置に設けられている。さらに、モータハウジング３７の内周面３７ａとステータ３９との間には、駆動軸４６の軸方向に延びるガス通路４９が複数形成されている。
【００４５】
このため、導入口３２ａからモータ室３８内へ導入された排ガスは、モータ室３８内を駆動軸４６の軸方向に沿って後側から前側へ流通した後、排出口３２ｂからモータ室３８外へ排出される。すなわち、モータ室３８内全体を排ガスが流通する。このため、ポンプ室３５からモータ室３８に向かって流れてきた水素ガスをはじめその他のガス（例えば、元々モータ室３８内に存在したガス）は、前記排ガスの流通によって排出口３２ｂからモータ室３８外へ排出され、モータ室３８内に水素ガスが滞留することが防止される。
【００４６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）水素循環ポンプＰのモータ室３８に導入口３２ａと排出口３２ｂを設け、燃料電池１１の酸素電極側からの排ガスを導入口３２ａからモータ室３８内へ導入し、排ガスをモータ室３８内を流通させた後、排出口３２ｂからモータ室３８外へ排出する構成とした。このため、ポンプ室３５内の水素ガスがリップシール４８（軸シール）を透過してポンプ室３５からモータ室３８に向かって流れても、水素ガスは排ガスとともにモータ室３８から排出することができる。したがって、水素循環ポンプＰでは、ポンプ室３５から流入した水素ガスによってモータ室３８内の水素濃度が上昇することが防止でき、その結果として、モータ室３８内の水素濃度が非常に低く抑えられ、水素濃度がその爆発雰囲気（４％〜７５％）となることを防止することができる。
【００４７】
（２）また、水素循環ポンプＰでは、モータ室３８内の水素濃度を非常に低く抑えることができるため、例えば、モータ室３８内へ高濃度の水素ガスを導入していた場合のように、高濃度の水素ガスに耐え得る材料によってモータ室３８を製造する必要が無くなる。したがって、モータ室３８を製造する材料を水素ガスに対する耐性を考慮して選定する必要が無くなり、モータ室３８を製造する材料の選択範囲を広げることができる。
【００４８】
（３）モータ室３８内の水素濃度を非常に低く抑えることができるため、水素ガスに対する耐性を考慮することなくモータ室３８内の電動モータＭを選定することができる。このため、電動モータＭとして、水素ガス（水素）によって脆化しやすい希土類永久磁石をロータ４０に埋め込んだ埋込磁石型モータを用いることが可能となる。したがって、電動モータＭとして、希土類永久磁石以外の磁石をロータ４０に埋め込んだ埋込磁石型モータを用いる場合に比して、電動モータＭを小型化することができるとともに、高トルク、かつ高効率・低発熱化することができる。電動モータＭを小型化することができるため、水素循環ポンプＰの体格も小型化することができ、さらには、電動モータＭの性能向上により水素循環ポンプＰの性能を向上させることができる。
【００４９】
（４）ポンプ室３５からモータ室３８への駆動軸４６に沿った水素ガスの漏れはゴム製のリップシール４８によって抑制される。また、水素ガスは、リップシール４８を透過してモータ室３８に向かって流れるが、モータ室３８へ流入した後はモータ室３８へ導入される排ガスによってモータ室３８外へ排出される。したがって、駆動軸４６の軸シールはリップシール４８で十分であり、例えば、軸シールとして、ダイヤフラム、マグネットカップリング、油圧を利用した軸シール手段を設ける場合に比して駆動軸４６の軸シールの構成を簡易化し、かつ小型化することができ、ひいては水素循環ポンプＰの体格を小型化することができる。また、リップシール４８は、前記マグネットカップリングや油圧を利用した軸シール手段に比して安価であるため、水素循環ポンプＰの製造コストも抑えることができる。
【００５０】
（５）燃料電池システム１０は、燃料電池１１の酸素電極側から排出された排ガスをモータ室３８内へ導入して、モータ室３８内の水素ガスをモータ室３８外へ排出する構成とされている。すなわち、燃料電池システム１０における既存の構成を用い、しかも排ガスを再使用してモータ室３８内の水素濃度が爆発雰囲気となることが防止できる。したがって、モータ室３８内の水素ガスをモータ室３８外へ排出するために、燃料電池システム１０に新たに排出手段を設ける場合に比して燃料電池システム１０の構成が複雑化することに伴うコスト上昇を防止できる。
【００５１】
（６）酸素電極側からの排ガスは、燃料電池１１で酸素が消費された酸素濃度が非常に低い不活性ガスである。このため、排ガスがモータ室３８内へ導入されても、排ガスはモータ室３８内の水素ガスと反応しにくく、モータ室３８内で化学反応が起こることを抑制することができる。したがって、酸素電極側からの排ガスをモータ室３８に導入しても燃料電池システム１０に不具合が発生することがない。
【００５２】
（７）モータ室３８よりも上流側にはバルブＶが設けられ、モータ室３８よりも下流側には絞り２６が設けられている。そして、水素循環ポンプＰにて、ポンプ室３５での水素ガスの移送量に依存して、バルブＶの開度を調整し、さらに絞り２６によって排ガスの流量を絞ることでポンプ室３５の圧力とモータ室３８の圧力の差圧を小さくすることができる。その結果として、前記差圧が小さくなることでリップシール４８が駆動軸４６に強く圧接されることが抑制でき、リップシール４８の寿命を長期化することができる。
【００５３】
（８）導入口３２ａは、モータ室３８における後側に設けられ、排出口３２ｂは、モータ室３８における前側に設けられている。すなわち、導入口３２ａと排出口３２ｂは、モータ室３８において駆動軸４６の軸方向に沿った両端側に位置ずれした位置であり、駆動軸４６を介した反対側に設けられている。このため、導入口３２ａからモータ室３８内へ導入された排ガスは、モータ室３８内を後側から前側へ流通した後、排出口３２ｂから排出される。したがって、排ガスをモータ室３８内の全体を流通させることができ、モータ室３８内の水素ガスのほとんどを排ガスによって掃気することができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の駆動部３２を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその重複する説明を省略する。
【００５５】
図４に示すように、駆動部３２において、モータハウジング３７の内側には隔壁６０が内嵌され、該隔壁６０によってモータ室３８内は電動モータＭ側と区画部Ｋ側とに区画されている。そして、モータ室３８内の区画部Ｋ側には、モータハウジング３７と、ギアハウジング３４の前端と、隔壁６０の後端によって囲まれたガス室６１が区画形成されている。
【００５６】
さらに、隔壁６０には、第５軸孔６２が設けられ、該第５軸孔６２には駆動軸４６が挿通され、駆動軸４６は、ポンプ室３５及びモータ室３８に加え、ガス室６１内にも配設されている。駆動軸４６は、前記第５軸孔６２に嵌め込まれた第５ベアリング６３によって隔壁６０においても回転可能に軸支されている。前記第５軸孔６２において、第５軸孔６２の周面と駆動軸４６の周面との間には軸シールとしてのリップシール４８が介在されている。
【００５７】
前記ガス室６１は、駆動軸４６の周りに円環状に設けられている。また、ガス室６１には、導入口３２ａ及び排出口３２ｂがモータハウジング３７を貫通して設けられており、導入口３２ａ及び排出口３２ｂはガス室６１に連通している。導入口３２ａと排出口３２ｂは、駆動軸４６の径方向に対向する位置に設けられており、駆動軸４６を介して反対側に設けられている。また、導入口３２ａには、燃料電池１１の酸素電極側が排管１６及び導入管２４を介して連結されている。排出口３２ｂには、排出管２５が連結されている。そして、導入管２４の途中にはバルブＶが設けられ、排出管２５の途中には絞り２６が設けられている。なお、第２の実施形態においてガス通路４９は形成されていない。
【００５８】
さて、第２の実施形態において、リップシール４８を透過し、ポンプ室３５側からモータ室３８に向かって流れてきた水素ガスはガス室６１に導入される。このとき、ガス室６１内には、酸素電極側から排出された排ガスが導入口３２ａから導入される。このため、ガス室６１に滞留する水素ガスは、排ガスとともにガス室６１（モータ室３８）外へ排出される。
【００５９】
また、ガス室６１内へ導入された排ガスは、該ガス室６１内を駆動軸４６の径方向へ横断する方向へ流れることとなる。その結果として、ガス室６１内には、導入口３２ａから排出口３２ｂへ流れる排ガスによってエアカーテンが形成され、ポンプ室３５側からモータ室３８に向かって流れてきた水素ガスが、ガス室６１からモータ室３８側へ流入することを抑制することができる。
【００６０】
なお、ポンプ室３５での水素ガスの移送量に依存して、バルブＶの開度を調整し、さらに絞り２６によって排ガスの流量を絞ることでポンプ室３５の圧力とガス室６１の圧力との差圧を小さくすることができる。すなわち、ハウジング内にてポンプ室３５の圧力のみが高くなりすぎたり、低くなりすぎたりすることが抑制される。
【００６１】
そして、ポンプ室３５側からモータ室３８に向かって流れてきた水素ガスが、ガス室６１からモータ室３８側へ流入することが抑制されることから、ガス室６１よりもモータ室３８側へ水素ガスが流れることが抑制される。その結果として、モータ室３８内の水素濃度が非常に低く抑えられ、モータ室３８の水素濃度が爆発雰囲気（４％〜７５％）となることが阻止される。
【００６２】
したがって、第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態の（１）〜（７）に記載の効果に加え、以下の効果も発揮することができる。
（９）ハウジング内に隔壁６０を設けることで、ハウジング内にてモータ室３８内の区画部Ｋ側にガス室６１が区画され、該ガス室６１に導入口３２ａ及び排出口３２ｂが設けられている。このため、ポンプ室３５側からモータ室３８に向かって流れてきた水素ガスはガス室６１に導入される。そして、ガス室６１内に導入された水素ガスは、酸素電極側からの排ガスによってガス室６１外へ排出される。したがって、ガス室６１を設けることで、ガス室６１よりもモータ室３８側で水素ガスが滞留することをなくすことができるとともに、電動モータＭの材質を水素ガスに対する耐性を考慮して設定する必要が無くなる。
【００６３】
なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
○  各実施形態において、バルブＶと絞り２６を削除してもよい。
○  各実施形態において、軸シールとしてリップシール４８の代わりに、例えば、ダイヤフラム、マグネットカップリング、油圧を用いた軸シール手段を用いてもよい。
【００６４】
○  第２の実施形態において、導入口３２ａに連結された導入管２４に分岐管を連結し、該分岐管をモータ室３８における電動モータＭが収容された部屋に連結して電動モータＭが収容された部屋へ酸素電極側からの排ガスを導入してもよい。このように構成することで、電動モータＭを排ガスによって冷却することができるため、電動モータＭを高効率化することができ、電動モータＭの小型化に寄与することができる。
【００６５】
○  第１の実施形態において、導入口３２ａと排出口３２ｂを、モータ室３８における区画部Ｋ側、すなわち、モータ室３８の後側で駆動軸４６の径方向に対向する位置に設けてもよい。このように構成すると、モータ室３８へ導入された排ガスは、モータ室３８内を駆動軸４６の径方向へ横断する方向へ流れることとなる。その結果として、モータ室３８の区画部Ｋ側には、導入口３２ａから排出口３２ｂへ流れる排ガスによってエアカーテンが形成され、ポンプ室３５側からモータ室３８に流れてきた水素ガスが電動モータＭ側へ流入することを抑制することができる。
【００６６】
○  第２の実施形態において、第２ハウジング３３ｂの内側に隔壁６０を内嵌し、該隔壁６０によってポンプ室３５内の区画部Ｋ側にガス室６１を区画してもよい。
○  第１の実施形態において、水素循環ポンプＰの後方にて第２ハウジング３３ｂと第３ハウジング３３ｃとの間に区画される空間をギア室とし、該ギア室内に配設された駆動軸４６に駆動ギア５８を固定し、従動軸４７に従動ギア５９を固定する。さらに、第１ハウジング３３ａとギアハウジング３４との間であって、ポンプ室３５とモータ室３８との間に区画される空間をガス室とし、該ガス室に導入口及び排出口を設けてもよい。このとき、導入口及び排出口はギアハウジング３４を貫通して設けられ、駆動軸４６はガス室内に配設されている。
【００６７】
○  各実施形態において、水素循環ポンプＰを、一本の駆動軸４６で電動モータＭと駆動ロータ５５（ロータ）とを連結しない構成としてもよい。すなわち、電動モータＭから延設された駆動軸４６に駆動ギア５８を固定し、該駆動ギア５８をギア室３６内に配設する。このとき、駆動軸４６は、電動モータＭからギア室３６内まで延設され、ポンプ室３５内には配設されていない。ギア室３６内において、駆動ギア５８の両側に従動ギア５９を噛合連結させ、各従動ギア５９に回転軸としての従動軸４７を固定する。そして、各従動ギア５９に固定した各従動軸４７をポンプ室３５内に配設し、各従動軸４７にガス移送体としてのロータを止着するとともに、互いに噛合させた状態でポンプ室３５内に収容する。
【００６８】
○  各実施形態において、駆動軸４６がモータハウジング３７を貫通して、モータ室３８外に配設されていてもよい。
○  各実施形態において、電動モータＭは、埋込磁石型モータでなくてもよく、表面磁石型モータでもよい。また、磁石４０ａは希土類永久磁石以外の磁石でもよい。さらに、電動モータＭは誘導モータであってもよい。
【００６９】
○  各実施形態において、排ガスとして、酸素電極側からの排ガスではなく、酸素供給源からの酸素をフィルタ等によって濾過した酸素濃度の低い排ガスをモータ室３８へ導入してもよい。
【００７０】
○  各実施形態において、水素循環ポンプＰを、回転軸の回転に基づいてガス移送体としてのスクロールが回転して水素ガスを移送する電動スクロール式ポンプとしてもよい。又は水素循環ポンプＰを、回転軸の回転に基づいてガス移送体としてのダイヤフラムを移動させて水素ガスを移送する電動ダイヤフラム式ポンプとしてもよい。
【００７１】
○  各実施形態において、燃料電池システム１０を酸素電極側からの排ガスの全てをモータ室３８へ導入する構成としてもよい。
○  各実施形態において、燃料電池システム１０にて導入管２４の途中に熱交換器を設けてもよい。このように構成すると、酸素電極側からの排ガスは、モータ室３８へ導入される前に熱交換器によって冷却される。このため、モータ室３８にて電動モータＭの冷却が効率良く行われる。
【００７２】
○  各実施形態において、燃料電池システム１０にて水素循環経路１７の途中に気液分離器を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】水素循環ポンプのポンプ室内を示す図３の２−２線断面図。
【図３】第１の実施形態の水素循環ポンプを示す断面図。
【図４】第２の実施形態の水素循環ポンプを示す断面図。
【符号の説明】
【００７４】
Ｋ…区画部、Ｍ…電動モータ、Ｐ…水素循環ポンプ、Ｖ…流量調整弁としてのバルブ、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１７…水素循環経路、２２…水素源としての水素タンク、２４…導入管、２５…排出管、２６…絞り、３２ａ…導入口、３２ｂ…排出口、３３…ハウジングを構成するロータハウジング、３３ａ…区画部を構成する第１ハウジング、３４…ハウジング及び区画部を構成するギアハウジング、３５…ポンプ室、３７…ハウジングを構成するモータハウジング、３８…モータ室、３９…ステータ、４０…ロータ、４０ａ…希土類永久磁石としての磁石、４１…軸孔を構成する第１軸孔、４３…軸孔を構成する第３軸孔、４６…回転軸としての駆動軸、４８…軸シールとしてのリップシール、５５…ガス移送体としての駆動ロータ、５６…ガス移送体としての従動ロータ、６１…ガス室。
【図１】
2007024015.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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