(57)【要約】【課題】小型軽量化し、尚かつロータ軽量化により機械効率を向上させる。【解決手段】内部に吸気された水素ガスを昇圧して外部へと吐出する水素ポンプ２４であって、水素ガスを昇圧する昇圧部材４２，４３が収容される昇圧部５３と、昇圧部材４２，４３を駆動する駆動源３１が収容される駆動部３０と、が形成されており、昇圧部５３と駆動部３０とを隔てて水素ガスの流通を遮断する隔離部材５４と、駆動源３１の出力を昇圧部材４２，４３へと磁力を利用して伝達する出力伝達部材３４と、を備えている。駆動源３１がモータである場合、駆動部３０に収容された希土類系磁石３５がモータ用の磁石として用いられていることが好ましい。【選択図】図４
2009138713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に吸気された水素ガスを昇圧して外部へと吐出する水素ポンプにおいて、
前記水素ガスを昇圧する昇圧部材が収容される昇圧部と、
前記昇圧部材を駆動する駆動源が収容される駆動部と、
が形成され、
前記昇圧部と前記駆動部とを隔てて前記水素ガスの流通を遮断する隔離部材と、
前記駆動源の出力を前記昇圧部材へと磁力を利用して伝達する出力伝達部材と、
を備えている水素ポンプ。
【請求項２】
前記駆動源がモータであり、前記駆動部に収容された希土類元素を含む磁石が前記モータ用の磁石として用いられている請求項１に記載の水素ポンプ。
【請求項３】
前記出力伝達部材は、磁石または磁力コイルを含むものである請求項１または２に記載の水素ポンプ。
【請求項４】
前記出力伝達部材に含まれる磁石として、希土類元素を含む磁石が用いられている請求項１から３のいずれか一項に記載の水素ポンプ。
【請求項５】
前記昇圧部材は、前記昇圧部内に回転可能に設けられたルーツ型の一対のロータであり、該ロータの少なくとも一部が樹脂製である請求項１から４のいずれか一項に記載の水素ポンプ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の水素ポンプと、
燃料電池と、
該燃料電池から排出された水素オフガスが流れる排出路と、を備え、
該排出路に前記水素ポンプが設けられている、燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出路は、前記燃料電池に水素ガスを循環させる流路であり、
前記水素ポンプは、前記燃料電池に水素ガスを圧送する、請求項６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、水素ポンプ及びこれを備えた燃料電池システムに関し、特に、水素ポンプの構造の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば燃料電池システム等で使用されている水素ポンプにおける課題の一つに、水素ガスの影響による脆化現象がある。これは、金属材料中に高圧水素雰囲気から水素が侵入して材料を脱化させ、場合によっては破壊に繋がる現象（水素脆化現象と呼ばれる）のことである。このような水素脆化現象に関連した技術として、従来、例えばモータ室に排気口を設けて水素を排出できるようにしておき、水素脆化しやすい希土類系磁石をモータ部にて用いるといった水素ポンプが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２４０１５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、上述したような従来の水素ポンプは、水素ガスを昇圧させる際の駆動源となるモータの小型化が図れず、小型軽量化が難しい場合がある。
【０００４】
また、水素ガスを昇圧させるロータのシャフト材料には、モータシャフトと同じ金属材料（例えば磁性金属）を用いないと金属の熱膨張によりシール性能が保てず磁石が脆化してしまうことがある。ところが、その一方で、ロータのシャフト材料にモータシャフトと同種の金属を用いると重量が嵩張り機械効率に劣るという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、小型軽量化を可能とし、尚かつロータ軽量化により機械効率を向上させることを可能とした水素ポンプ及びこれを備え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】
【０００６】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば、モータ用磁石としての希土類系磁石（希土類元素を含む磁石）は、強い磁界を生じさせるという特徴を有するが、水素により脆化するという性質も併せ有していることから、水素ポンプにおいて使用することが一般に難しいものである。また、ロータのシャフト材料に金属材料を用いざるを得ない構造が、機械効率の向上の妨げの一因となっている。これらの点について検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、内部に吸気された水素ガスを昇圧して外部へと吐出する水素ポンプにおいて、水素ガスを昇圧する昇圧部材が収容される昇圧部と、昇圧部材を駆動する駆動源が収容される駆動部と、が形成され、昇圧部と駆動部とを隔てて水素ガスの流通を遮断する隔離部材と、駆動源の出力を昇圧部材へと磁力を利用して伝達する出力伝達部材と、を備えているものである。
【０００８】
かかる水素ポンプにおいては、昇圧部と駆動源とが隔離部材によって隔てられているため、水素ガスは昇圧部を流通するが駆動部を流通することはない。また、駆動源の出力は、磁力を利用して出力伝達部材へと間接的に伝達される構造となっている。したがって、例えばロータのシャフト等、従来は金属材料が用いられていた昇圧部材の一部に樹脂材料等を用いることが可能となるから、ロータ軽量化により機械効率を向上させることが可能である。また、このような昇圧部材の材料一部変更、軽量化により、水素ポンプ自体の小型軽量化も可能となる。
【０００９】
また、かかる水素ポンプにおいては駆動源がモータであり、駆動部に収容された希土類元素を含む磁石がモータ用の磁石として用いられていることが好ましい。上述したように、希土類系磁石は水素雰囲気下にて脆化する性質があるが、隔離部材によって隔てられた駆動部に配置されている限りは水素脆化のおそれがない。かかる希土類系磁石をモータ用の磁石として用いた場合、強い磁界を生じさせることができるから当該磁石を小型化し、ひいては水素ポンプのさらなる小型軽量化を図ることができる。
【００１０】
上述の出力伝達部材は、例えば磁石または磁力コイルを含むものである。出力伝達部材に含まれる磁石としては、希土類元素を含む磁石が用いられていることが好ましい。強い磁界を生じさせうる希土類系磁石を用いれば、当該磁石の小型化、ひいては水素ポンプの小型軽量化が可能である。かかる希土類系磁石は、隔離部材によって隔てられた駆動部内に配置されていれば水素脆化のおそれがない。
【００１１】
さらに本発明にかかる水素ポンプにおいて、昇圧部材は、昇圧部内に回転可能に設けられたルーツ型の一対のロータであり、該ロータの少なくとも一部が樹脂製である。この場合、ロータ軽量化が可能となる。
【００１２】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、上述の水素ポンプと、燃料電池と、該燃料電池から排出された水素オフガスが流れる排出路と、を備え、該排出路に水素ポンプが設けられているものである。この燃料電池システムにおける排出路は、燃料電池に水素ガスを循環させる流路であり、水素ポンプは、燃料電池に水素ガスを圧送するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素ポンプを小型軽量化し、尚かつロータ軽量化により当該水素ポンプの機械効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る水素ポンプを燃料電池システムに適用した例について説明する。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える。燃料電池システム１は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１６】
燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられる。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池２は発熱すると共に空気極側に水を生成する。固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００１７】
酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。コンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２の酸化ガス流路２ａに圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。酸化オフガスは、酸化ガス流路２ａから排出路１２に排出され、エア調圧弁１６及び加湿器１５を経た後、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１８】
燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、水素ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａに水素ポンプ２４によって圧送され、水素ガスに合流して再び燃料ガス流路２ｂに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。
【００１９】
続いて、本発明にかかる水素ポンプ２４について説明する（図２等参照）。
【００２０】
図２は、水素ポンプ２４の要部を示す断面図であり、図３は、水素ポンプ２４の要部を示す斜視図である。また、図４は図３のIV-IV線における断面図である。本実施形態の水素ポンプ２４は２つのロータ（回転子）が互いに接触しながら回転して流体を送り出すいわゆるルーツ型のポンプであり、ケーシング４１と、一対のロータ４２，４３と、を備えている。
【００２１】
ケーシング４１には、吸気口５１、排気口５２及びロータ室（昇圧部）５３が形成されており、ロータ室５３には、昇圧部材を構成するロータ４２，４３が収容されている。吸気口５１と排気口５２とは、ロータ室５３を挟んで対向するように位置し、いずれもロータ室５３に連通している。水素オフガスは、吸気口５１からロータ室５３へと吸入され、各ロータ４２，４３とロータ室５３の内面との間で移動し、排気口５２から外部へと吐出される。
【００２２】
ケーシング４１の内面は、ロータ４２に面する断面円弧形状の内面５５と、ロータ４３に面する断面円弧形状の内面５６と、を有する。また、ケーシング４１の内面は、内面５５，５６に連なる吸気側内面５７と排気側内面５８とを有する。吸気側内面５７によって吸気口５１が画定され、排気側内面５８によって排気口５２を画定される。内面５５及び内面５６によってロータ室５３が画定されており、内面５５とロータ４２との間には互いに干渉しないように隙間が設定されている。また、内面５６とロータ４３との間にも、干渉しないように隙間が設定されている。
【００２３】
なお、本実施形態では特に詳しく説明しないが、ケーシング４１の内面やロータ４２，４３の表面のうち水素オフガスが接触し得る面にイオン交換樹脂をコーティングしておくことが好ましい。本実施形態では、ケーシング４１の内面５５，５６及びロータ４２，４３の外周面を、イオン交換樹脂がコーティングされてなるイオン交換膜７１で被覆している。イオン交換樹脂は、例えばカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を有する粒子状又は繊維状のものであり、イオン交換膜７１は、水素オフガス及び生成水中の腐食生成イオンをイオン交換により吸着する。
【００２４】
一対のロータ４２，４３はいわゆる瓢箪形（中央部がくびれた楕円形状）であり（図２参照）、ロータ室５３において位相を約９０度ずらした状態で配置されている。ロータ４２，４３は、それぞれがロータシャフト６１，６２に接続されており、互いに逆向きに回転するように構成されている。ロータシャフト６１，６２は、互いに噛み合うギア６３，６４をそれぞれ備えるとともに、一端側においてボールベアリング装置６５，６６により軸受けされている（図４参照）。一方のロータシャフト６１は、モータ３１の出力軸３２の軸延長上に配置されている（図４参照）。このロータシャフト６１にモータ３１の出力が伝達されると、ギア６３，６４を介してロータ４２とロータ４３とが互いに逆方向に回転し、ロータ室５３内にて水素オフガスを昇圧して送り出す（図２等参照）。
【００２５】
モータ３１は、ロータ４２，４３を回転させるための駆動源である。本実施形態のモータ３１は、水素ポンプ２４のモータ室（駆動部）３０内に配置されている（図４参照）。
【００２６】
また、本実施形態の水素ポンプ２４においては、上述のロータ室５３とモータ室３０とが隔離壁５４によって隔てられている（図４参照）。この隔離壁５４は水素ガス（水素オフガス）の流通を遮断し、ロータ室５３内の水素ガスがモータ室３０内へと流れ込まないように形成されている。したがって、この水素ポンプ２４のモータ室３０内においては水素ガスによる脆化の影響を考慮しなくても済む。隔離壁５４は、ケーシング４１と一体的に形成されていてもよいし、別部材がケーシング４１内に取り付けられることによって形成されていてもよい。
【００２７】
ここで、本実施形態では、モータ３１の出力を、磁力を利用してロータ４２，４３へと伝達するようにしている。具体的には、磁石を含む出力伝達部材３４をモータ３１の出力軸３２の先端部に配置し、該磁石の磁力を利用してギア６３を回転させる（図４参照）。このように磁力を利用して出力を伝達することとすれば、隔離壁５４を超えて一方側から他方側へと出力を伝達することが可能である。隔離壁５４は、磁力の伝達を妨げない部材により薄く形成されていることが好ましい。
【００２８】
ギア６３は、少なくともその一部に金属あるいは磁石等を含み、磁力を受けて回転するように形成されている。その一方、ギア６３が磁力を受けて回転するように形成されていれば、ロータ４２やそのロータシャフト６１の材質は特に限られることはない。例えば、従来は金属製であったロータシャフト６１を樹脂製とすれば、その分だけロータ４２の軽量化を図ることができ、ロータ４２を軽量化すれば摩擦損失を低減させる等により水素ポンプ２４における機械効率を向上させることが可能になるという利点もある。また、ロータ４２を軽量化すれば水素ポンプ２４の小型軽量化を図るうえでも有利である。ここではロータ４２およびそのロータシャフト６１について説明したが、以上はもう一方のロータ４３およびそのロータシャフト６２についても同様である。
【００２９】
上述の出力伝達部材３４において用いられる磁石として好適なものに、希土類系磁石（希土類元素を含む磁石）がある。希土類系磁石は強い磁界を生じさせうるものであるため、当該磁石の小型化、ひいては水素ポンプ２４の小型軽量化を図ることが可能である。しかも、隔離壁５４によって隔てられたモータ室３０内に該希土類系磁石を配置している限りは当該希土類系磁石が水素により脆化するおそれがない。
【００３０】
また、モータ３１用の磁石３５として希土類系磁石を用いることも好ましい。本実施形態の水素ポンプ２４によれば水素ガス（水素オフガス）の流通領域から希土類系磁石を隔離することが可能であるから当該希土類系磁石が水素ガスで脆化してしまうおそれがない。したがって、強い磁界を生じさせる希土類系磁石を採用し、当該磁石３５の小型化、ひいては水素ポンプ２４のさらなる小型軽量化を図ることができる。
【００３１】
以上説明した本実施形態の水素ポンプ２４によれば、隔離壁５４でモータ室３０とロータ室５３とを隔て、水素ガス（水素オフガス）がモータ室３０を流通しない構造であることから、駆動源側（当該モータ室３０側）にて希土類系磁石を用いたり、ロータ４２，４３等の昇圧部材側の材料に変更を加えたりすることが可能である。したがって、水素ポンプ２４の小型軽量化が可能であり、尚かつ昇圧部材等の軽量化により機械効率を向上させることが可能である。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではモータ室３０に内蔵されるモータ３１が水素ポンプ２４の駆動源である場合について例示したがこれは一例にすぎず、他のシャフト等を利用してポンプ外から駆動力を得る構造の水素ポンプ２４においても本発明を適用することが可能である。この場合には、ギア６３等に駆動力を伝達する当該シャフト等が昇圧部材を直接的に駆動する駆動源ということになる。
【００３３】
また、本実施形態では出力伝達部材３４としてその一部に磁石を含むものを例示したが、この他、例えば磁力コイル等を含むものであっても、磁石の場合と同様に磁力を利用して駆動源の出力を昇圧部材に伝達することが可能である。
【００３４】
さらに、水素ポンプ２４は、ルーツ型以外の他の容積型で構成されてもよい。例えば、水素ポンプ２４として、ベーン式又はネジ式といった回転式のものを用いてもよいし、往復式のものを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る水素ポンプを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る水素ポンプの要部を示す断面図である。
【図３】水素ポンプの要部を示す斜視図である。
【図４】図２のIV-IV線における水素ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２３…循環路（水素オフガスが流れる排出路）、２４…水素ポンプ、３０…モータ室（駆動部）、３４…出力伝達部材、３５…希土類系磁石（希土類元素を含む磁石）、４２…ロータ（昇圧部材）、４３…ロータ（昇圧部材）、５３…ロータ室（昇圧部）、５４…隔離壁（隔離部材）
【図１】
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【図２】
2009138713.tif 000004
【図３】
2009138713.tif 000005
【図４】
2009138713.tif 000006