(57)【要約】【課題】水素ポンプ自体はもちろんのこと、水素ポンプの下流側の部材についても、水素オフガス中の腐食生成イオン成分による劣化を抑制する。【解決手段】水素ポンプ２４は、内部に吸気された水素オフガスが外部へと吐出されるケーシング４１と、ケーシング４１内に設けられて水素オフガスの昇圧のために可動するロータ４２，４３と、を備える。ケーシング４１の内面５５，５６及びロータ４２，４３の外周面は、水素オフガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされ、イオン交換樹脂によって腐食生成イオン成分を吸着する。ロータ４２，４３の外周面に凹凸（溝）を形成し、イオン交換樹脂をコーティングするための表面積を大きくする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に吸気されたガスが外部へと吐出されるケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、前記ガスの昇圧のために可動する昇圧部材と、を備えたポンプにおいて、
前記ケーシングの内面及び前記昇圧部材の少なくとも一方は、前記ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている、ポンプ。
【請求項２】
前記ケーシングの内面及び前記昇圧部材の両方とも、前記ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている、請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記イオン交換樹脂をコーティングされた面には、凹凸が形成されている、請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記昇圧部材は、前記ケーシング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、
前記各ロータの外周面に、前記イオン交換樹脂をコーティングされている、請求項１に記載のポンプ。
【請求項５】
前記一対のロータの少なくとも一方の外周面には、溝が形成されている、請求項４に記載のポンプ。
【請求項６】
前記各ロータの外周面には、互いに平行な凹部と凸部とが繰り返すように溝が形成されており、
前記一対のロータは、一方のロータの凹部が他方のロータの凸部にかみ合いながら回転するように構成されている、請求項４に記載のポンプ。
【請求項７】
前記凹部と前記凸部とは、前記各ロータの軸方向と直交する方向に延在している、請求項６に記載のポンプ。
【請求項８】
前記ケーシングの内面には、前記各ロータの凹部及び凸部にかみ合うように、当該各ロータの軸方向と直交する方向に延在する溝が形成されている、請求項７に記載のポンプ。
【請求項９】
前記ケーシングの内面には、前記イオン交換樹脂がコーティングされている、請求項８に記載のポンプ。
【請求項１０】
前記凹部と前記凸部とは、前記各ロータの軸方向と平行に延在している、請求項６に記載のポンプ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のポンプと、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出路と、を備え、
前記排出路に前記ポンプが設けられている、燃料電池システム。
【請求項１２】
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、
前記ポンプは、前記燃料電池に水素ガスを圧送する、請求項１１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、ポンプ及び燃料電池システムに関し、特に、ポンプの腐食防止技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ポンプの腐食防止技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。このポンプは、ルーツ型の真空ポンプであり、ロータの外周面にフッ素樹脂を基材とする保護膜を被覆したものである。このような構成を採用することで、半導体製造プロセスに用いるエッチング用ガス（フッ素化合物等のハロゲン系ガス）がもつ腐食性成分からロータを保護するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１２３７３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、この真空ポンプの場合、ロータにコーティングした保護膜は、ロータへの腐食性成分の影響を避けるだけである。このため、真空ポンプの吐出側に連なる配管等が腐食性成分に反応して腐食するおそれがあった。
【０００４】
そこで、本発明のポンプは、ポンプ自体はもちろんのこと、ポンプの下流側の部材についても、ガス中の腐食生成イオン成分による劣化を抑制することを目的としている。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出され得るガスに起因して、ポンプ及びその下流側の部材の劣化を抑制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】
上記目的を達成するための本発明のポンプは、内部に吸気されたガスが外部へと吐出されるケーシングと、ケーシング内に設けられ、ガスの昇圧のために可動する昇圧部材と、を備える。そして、ケーシングの内面及び昇圧部材の少なくとも一方は、ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされているものである。
【０００６】
本発明のポンプによれば、ケーシング内に吸気されたガスに腐食生成イオン成分が含まれていたとしても、それをイオン交換樹脂によって吸着（除去）することができる。これにより、ケーシングの内面及び昇圧部材の少なくとも一方の劣化を抑制できる。また、ケーシング外へと圧送されるガスは、腐食生成イオン成分が除去されているため、例えばポンプの下流側に設けられる配管その他の部材についても、劣化を抑制できる。
【０００７】
好ましくは、ケーシングの内面及び昇圧部材の両方とも、ガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされるとよい。
【０００８】
好ましくは、イオン交換樹脂をコーティングされた面には、凹凸が形成されるとよい。
【０００９】
こうすることで、凹凸がない平坦な面に比べて、コーティング面の表面積を大きくすることができる。これにより、イオン交換樹脂による総吸着イオン量を増やすことができ、ポンプの寿命を延ばすことができる。
【００１０】
好ましくは、昇圧部材は、ケーシング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、各ロータの外周面に、イオン交換樹脂をコーティングされるとよい。
【００１１】
こうすることで、ルーツ型ポンプのロータの耐久性を向上することができる。
【００１２】
より好ましくは、一対のロータの少なくとも一方の外周面には、溝が形成されるとよい。
【００１３】
こうすることで、平坦な外周面に比べて、コーティング面の表面積を大きくすることができるので、イオン交換樹脂による総吸着イオン量を増やすことができる。
【００１４】
好ましくは、一対のロータの両方の外周面には、互いに平行な凹部と凸部とが繰り返すように溝が形成され、一対のロータは、一方のロータの凹部が他方のロータの凸部にかみ合いながら回転するように構成されるとよい。
【００１５】
より好ましくは、凹部と凸部とは、各ロータの軸方向と直交する方向に延在するとよい。
【００１６】
この構成によれば、凹部と凸部とはロータの回転方向に沿った方向に延在する。これにより、例えばガスに液体が含まれている場合に、ロータにおいて液体の抵抗を下げることができ、ポンプの効率を上げることができる。
【００１７】
より好ましくは、ケーシングの内面には、各ロータの凹部及び凸部にかみ合うように、各ロータの軸方向と直交する方向に延在する溝が形成されるとよい。
【００１８】
こうすることで、例えばガスに液体が含まれている場合に、液体の抵抗をより一層下げることができる。
【００１９】
より好ましくは、ケーシングの内面にも、イオン交換樹脂がコーティングされるとよい。
【００２０】
こうすることで、ロータの外表面のみならず、ケーシングの内面にもイオン交換樹脂がコーティングされるので、より一層寿命を延ばすことができる。
【００２１】
本発明の別の好ましい態様によれば、凹部と凸部とは、各ロータの軸方向と平行に延在するとよい。
【００２２】
この構成によれば、凹部と凸部とはロータの回転方向に直交する方向に延在する。これにより、例えば凹部と凸部とがロータの回転方向に沿った方向に延在する場合に比べて、ガスの昇圧性能を高めることができる。
【００２３】
また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、上記した本発明のポンプと、燃料電池と、燃料電池から排出されたガスが流れる排出路とを備え、ポンプが排出路に設けられるものである。
【００２４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるガス中に含まれ得る腐食生成イオン成分をポンプで吸着することができるので、腐食生成イオン成分に起因したポンプの腐食を抑制できることはもちろん、排出路におけるポンプの下流側部分についても腐食を抑制できる。
【００２５】
好ましくは、排出路は、燃料電池に水素ガスを循環させる流路であり、ポンプは、燃料電池に水素ガスを圧送するとよい。
【００２６】
これにより、ポンプの腐食抑制のみならず、燃料電池の腐食抑制を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
上記した本発明のポンプ及び燃料電池システムによれば、ガス中の腐食生成イオン成分による劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
＜第１実施形態＞
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
このような燃料電池システム１は、燃料電池２での電気化学反応によって水が生成され、この生成水が水素オフガスと共に燃料電池２から循環路２３へと排出される。生成水及び水素オフガス中に粒子状態で浮遊する水分には、燃料電池２内の部品や循環路２３等の配管要素から溶出された溶出成分が含まれ得る。溶出成分として、例えばフッ素系の電解質膜から溶出したフッ素イオンなどの腐食生成イオンが含まれることがある。腐食生成イオンが燃料電池２に供給されると、燃料電池２の劣化を促進してしまう。このため、イオン交換器を循環路２３に設けて、腐食生成イオンが水素オフガスと共に燃料電池２に再び供給されないようにすることもある。本実施形態では、水素オフガス及び生成水に含有される腐食生成イオンをさらに除去するべく、水素ポンプ２４の構造を工夫している。
【００３４】
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。
水素ポンプ２４は、ルーツ型からなり、ケーシング４１と、一対のロータ４２，４３と、を備えている。
【００３５】
ケーシング４１には、吸気口５１、排気口５２及びロータ室５３が形成されており、ロータ室５３にロータ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。
【００３６】
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。
【００３７】
ロータ４２，４３は、図２の正面視、まゆ形をなしており、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、回転軸６１，６２に接続されており、互いに逆向きに回転可能に構成されている。図示省略したモータの出力が回転軸６１に入力され、ロータ４２が回転すると共に、回転軸６１の回転力がタイミングギヤ組を介して回転軸６２に伝達され、ロータ４３が回転するようになっている。つまり、ロータ４２が入力側ロータとして機能し、ロータ４２，４３が互いに逆向きに同期回転することで、水素オフガスを昇圧するようになっている。理想的には、一対のロータ４２，４３間には隙間が形成され、各ロータ４２，４３は互いに非接触で回転するように設計される。
【００３８】
ケーシング４１の内面及びロータ４２，４３は、水素オフガスが接触され得る面にイオン交換樹脂をコーティングされている。具体的には、ケーシング４１の内面５５，５６及びロータ４２，４３のまゆ形の外周面には、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が被覆されている。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。
【００３９】
他の実施態様によれば、ケーシング４１の吸気側内面５７にもイオン交換樹脂をコーティングするとよい。吸気側内面５７も、水素オフガスが接触することになるからである。また、排気側内面５８にも同様のコーティングを行ってもよい。さらに、軽量化等の観点から、ロータ４２，４３は、それぞれ、回転軸６１，６２を挟んで両側に貫通孔が形成されたものでもよく、この場合には、貫通孔を画定する内周面にもイオン交換樹脂をコーティングするとよい。なお、貫通孔は、回転軸６１，６２の延在方向（以下、「ロータ軸方向」という。）に延在する。
【００４０】
ここで、本実施形態では、イオン交換膜７１の表面積を多くするべく、コーティング面が次のように工夫されている。
【００４１】
先ず、ロータ４２の外周面には、互いに平行な凹部８１と凸部８２とがロータ軸方向に繰り返すように溝が形成されている。同様に、ロータ４３の外周面には、互いに平行な凹部９１と凸部９２とがロータ軸方向に繰り返すように溝が形成されている。凹部８１、９１及び凸部８２，９２は、いずれもロータ軸方向に直交する方向に延在している。換言すると、凹部８１及び凸部８２は、ロータ４２の回転方向に沿ってロータ４２の外周面を周方向に亘って形成され、凹部９１及び凸部９２は、ロータ４３の回転方向に沿ってロータ４３の外周面を周方向に亘って形成されている。凹部８１が凸部９２に非接触でかみ合い且つ凹部９１が凸部９１に非接触でかみ合っており、この状態を維持しながらロータ４２，４３が回転するようになっている。
【００４２】
また、ケーシング４１の内面５５，５６にも、ロータ４２，４３に対応して溝が形成されている。具体的には、内面５５には、ロータ４２の凹部８１及び凸部８２に非接触でかみ合うように、凸部１０１及び凹部１０２が形成されている。また、内面５６には、ロータ４３の凹部９１及び凸部９２に非接触でかみ合うように、凸部１１１及び凹部１１２が形成されている。凸部１０１及び凹部１０２は、内面５５の一端から他端にかけてロータ４２の回転方向に沿って形成され、凸部１１１及び凹部１１２は、内面５６の一端から他端にかけてロータ４３の回転方向に沿って形成されている。凹部８１，９１，１０２，１１２及び凸部８２，９２，１０１，１１１の断面形状は、任意であり、例えば、三角形又は台形である。
【００４３】
以上説明した本実施形態の水素ポンプ２４によれば、ケーシング４１の内面５５，５６及びロータ４２，４３にイオン交換膜７１を被覆しているので、吸入した水素オフガス及び生成水に含まれる腐食生成イオンをイオン交換膜７１で吸着することができる。これにより、内面５５，５６及びロータ４２，４３が腐食により劣化することを抑制できると共に、排気口５２の下流側の循環路２３や燃料電池２が腐食により劣化することを抑制できる。また、イオン交換樹脂をイオン交換膜７１として水素ポンプ２４内に設けているので、水素ポンプ２４での水素オフガスの圧損が大きくなることなく、腐食生成イオンを吸着し除去することができる。
【００４４】
さらに、内面５５，５６及びロータ４２，４３の外周面に凹凸を形成しているので、これらを凹凸のない平坦面で形成する場合に比べて、イオン交換膜７１の表面積を大きくすることができる。これにより、イオン交換膜７１の総吸着イオン量を増やすことができ、水素ポンプ２４及びその下流側の部材の寿命を延ばすことができる。また、内面５５，５６及びロータ４２，４３の外周面に形成した凹凸が、ロータ４２，４３の回転方向に沿って形成されているので、ロータ４２，４３での水素オフガス中の生成水の抵抗を下げることができ、水素ポンプ２４の圧縮効率を上げることができる。
【００４５】
＜第２実施形態＞
次に、図４及び図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る水素ポンプ１２０について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、ロータ４２，４３に形成する凹凸の延在方向を変更したことである。なお、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
ロータ４２の凹部１３１と凸部１３２とは、互いにロータ軸方向に平行に延在し、且つ、ロータ４２の周方向において交互に繰り返すようにその外周面に形成されている。同様に、ロータ４３の凹部１４１と凸部１４２とは、互いにロータ軸方向に平行に延在し、且つ、ロータ４３の周方向において交互に繰り返すようにその外周面に形成されている。
【００４７】
凹部１３１が凸部１４２に非接触でかみ合い且つ凹部１４１が凸部１３２に非接触でかみ合い、この状態を維持しながらロータ４２，４３が回転するようになっている。凹部１３１，１４１及び凸部１３２，１４２の断面形状は、任意であり、ここでは三角形となっている。本実施形態では、ケーシング４１の内面には凹凸が形成されておらず、平坦な面となっている。イオン交換膜７１は、ロータ４２、４３の外周面と、ケーシング４１の内面（内面５５，５６、吸気側内面５７及び排気側内面５８の少なくとも一つ）とに被覆されている。なお、図４では、イオン交換膜７１の位置を示すことを企図し、符号７１の引き出し線を敢えて点線にしている。
【００４８】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、吸入した水素オフガス及び生成水に含まれる腐食生成イオンをイオン交換膜７１によって吸着することができ、水素ポンプ２４及びその下流側の部材の寿命を延ばすことができる。また、ロータ４２，４３の外周面に凹凸を形成しているので、これらを凹凸のない平坦面で形成する場合に比べて、イオン交換膜７１の表面積を大きくすることができる。
【００４９】
ただし、ケーシング４１の内面に凹凸を形成していないので、第１実施形態に比べると、イオン交換膜７１の総吸着イオン量は低下する。もっとも、ロータ４２，４３の外周面に形成した凹凸が、ロータ４２，４３の回転方向に直交する方向に延在するので、第１実施形態のように凹凸が回転方向に沿った方向に延在する場合に比べると、水素ガスの昇圧性能を高めることができる。
【００５０】
以上説明した第１実施形態の水素ポンプ２４と第２実施形態の水素ポンプ１２０とは、必要昇圧性能と必要寿命とを勘案して、燃料電池システム１にとって適したもの選択すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
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。ベーン式の場合には、昇圧部材であるベーンの表面にイオン交換樹脂をコーティングし、その表面積を大きくするべく、第１実施形態又は第２実施形態のように表面に凹凸を形成するとよい。また、往復式の場合には、昇圧部材であるピストンの表面（端面）を同様にコーティングし、その表面に凹凸を形成するとよい。もちろん、水素ポンプ２４は、容積型に限らずターボ式であってもよい。いずれの場合にも、水素オフガスの昇圧のために可動する昇圧部材について、水素オフガスが接触し得る面をコーティングするとよい。
【００５２】
また、水素ポンプ２４を例に説明したが、水素ガス以外のガスを圧送するポンプであっても、上記した本実施形態の構造を適用することができる。腐食生成イオンを含むガスを取り扱うシステム、例えば、半導体製造プロセスにおけるシステムに対して、本発明のポンプの構造は有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る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】本発明の第１実施形態に係るポンプの要部を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るポンプの要部を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るポンプの要部を示す斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖにおける拡大図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：燃料電池システム、  ２：燃料電池、  ２３：循環路、  ２４：水素ポンプ、  ４１：ケーシング、  ４２，４３：ロータ、  ５１：吸気口、  ５２：排気口、  ５３：ロータ室、  ５５，５６：内面、  ７１：イオン交換膜、  ８１，９１，１０２，１１２，１３１，１４１：凹部、  ８２，９２，１０１，１１１，１３２，１４２：凸部、  １２０：水素ポンプ
【図１】
2009127560.tif 000003
【図２】
2009127560.tif 000004
【図３】
2009127560.tif 000005
【図４】
2009127560.tif 000006
【図５】
2009127560.tif 000007