JP2005147059A - 燃料電池用圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】連続的な被圧縮ガスの移送が可能で、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になる燃料電池用圧縮機を提供する。
【解決手段】ヘリカル式圧縮機構部を有する燃料電池用圧縮機であって、外気はローラに形成された吸気用通気口を介して吸い込まれ、圧縮機構部内で圧縮されローラに形成された吐出用通気口から燃料電池に送られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池用圧縮機に係り、特にヘリカル圧縮機構部を具備した燃料電池用圧縮機に関する。

燃料電池は酸素と水素の化学反応により電気を取り出す装置であり、酸素は空気中の酸素を利用するため、空気は昇圧して燃料電池装置に送られる。また、水素は水素タンクから供給される場合と、都市ガスなどの燃料から取り出される場合があり、都市ガスの場合は大気圧より高い状態まで昇圧して装置に送られる。

このため、燃料電池に用いられるポンプ（圧縮機）には、空気用と燃料用の２種類がある。

圧縮機は空気の圧力を上げることで、反応を促進するもので、燃料電池に搭載され発電効率を向上するために利用される装置であり、空気供給装置自体の消費電力が大きいのは、好ましくない。また、自動車や家屋など人に近いところで使用されるので、騒音、振動が小さいことが要求される。さらに、圧縮機が燃料用として都市ガスなどの燃料ガスを昇圧するのに用いられる場合、圧縮機に対する要求は、空気の場合と同様に、消費電力、騒音、振動、脈動が小さいことと、それに加えて、燃料ガスが漏れて空気と接しないこと、燃料ガスが通電部と接しないことである。

従来、燃料電池に用いられる燃料系、あるいは空気を送るポンプ（圧縮機）としては、レシプロ型、ダイヤフラム式、スクリュー型（リショルム型）などがある。

しかしながら、レシプロ型やダイヤフラム式は、吸込弁、吐出弁のある断続圧縮機構であり、一般的に騒音、振動が大きく、吸込、吐出ともにガスの流れの脈動が大きい。また、回転数をあまり高くできないので、同じ吐出流量を得るためには、圧縮機の外形サイズが、他の圧縮機と比べて大きくなる傾向である。

さらに、燃料系のガスを配管から供給する場合、安全上、外気に対して漏れない構造にする必要がある。この条件を満足する構造として、ダイヤフラム式がよく用いられるが、ダイヤフラム式は、膜の中央部が往復動することでガスを給排気する構造であり、膜により圧縮部が外気と仕切られるので容易にシール構造を形成できる。反面、膜が動いて変形を繰り返すので、長期運転すると膜に亀裂が生じるなど、寿命が短いという欠点がある。

なお、特許文献１には、燃料電池の空気供給用圧縮機を低圧段と高圧段の２段で構成し、各々をモータとクラッチで接続し、更に低圧段圧縮機の吐出配管に切換弁を備え、これにより低圧段吐出空気をそのまま燃料電池に供給する配管と、高圧段圧縮機を経由して供給する配管とを設け、燃料電池の負荷に応じて圧縮機吐出圧を可変とし、燃料電池の必要空気量を圧縮して動力損失を低減することにより省エネを図る燃料電池用圧縮機が提案されている。しかし、特許文献１の燃料電池用圧縮機は、スクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、レシプロ圧縮機を用いるので、上記のような騒音、振動が大きく、吸込、吐出ともにガスの流れの脈動が大きい問題がある。
特開２００３−１２９９６１号公報（［００１０］、［００１３］、［００１４］、図１）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、連続的な被圧縮ガスの移送が可能で、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になる燃料電池用圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、空気を昇圧して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、この圧縮機はシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置されたローラと、このローラとシリンダとの間に作動室を区画形成する螺旋状のブレードと、前記ローラをシリンダ内で偏心回転させるためのクランクシャフトを備えたヘリカル式圧縮機構部と、前記クランクシャフトを介して前記圧縮機構部を駆動する電動機部とからなり、前記ローラに形成された通気口を介して外気が前記圧縮機構部内を流通可能とされていることを特徴とする燃料電池用圧縮機が提供される。これにより、連続的な空気の移送が可能になり、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になり、さらに、空気の圧縮移送に用いる場合は、移送される被圧縮流体が空気であるので、外気に漏れても問題なく、圧縮機部と電動機部が外気に開放された開放構造が可能であり、ファンなどによる冷却が容易であり、簡略な構造の燃料電池用圧縮機が実現される。

本発明に係わる燃料電池用圧縮機によれば、連続的な空気の移送が可能で、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になる燃料電池用圧縮機を提供することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池用圧縮機の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係わる燃料電池用圧縮機の第１実施形態の縦断面図である。

図１に示すように、ヘリカル圧縮機である燃料電池用圧縮機１は、燃料電池に送り込む空気を昇圧するのに用いられるケーシングレスの圧縮機であり、ヘリカル機構部としてのヘリカル圧縮機構部２と、このヘリカル圧縮機構部２を駆動させる電動機部３、この電動機部３とヘリカル圧縮機構部２間に設けられ電動機部３の動力をヘリカル圧縮機構部２に伝達するクランクシャフト４を有し、これらの各構成要素が一直線上に取付けられ、さらに、直線に沿って燃料電池用圧縮機１を冷却する冷却系５が設けられた構造である。

ヘリカル圧縮機構部２は、シリンダ２１内に旋回（公転）自在に偏心配置された環状のローラ２２と、このローラ２２とシリンダ２１間に軸方向に次第に容積が小さくなる作動室としての圧縮室２３を区画する不等ピッチのヘリカルブレード２４とを有している。ローラ２２の外周面には、所定寸法の螺旋溝２２ａが吸込口２５側から吐出口２６側に向けてピッチが徐々に小さくなるように形成されており、この螺旋溝２２ａ内には弾性を有する螺旋状の上記ヘリカルブレード２４が出没自在に嵌め込まれている。さらに、ヘリカルブレード２４は、弾性材料、プラスチックまたはテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂もしくはフッ素プラスチック等により成形されている。ヘリカルブレード２４はシリンダ２１の内周面に気密に当接され、シリンダ２１の内周面とローラ２２の外周面との環状間隙をヘリカルブレード２４により軸方向に沿って複数の上記圧縮室２３に仕切っている。各圧縮室２３はヘリカルブレード２４の隣り合う２つの巻き間に規定されており、ヘリカルブレード２４に沿ってシリンダ２１の内周面とローラ２２の外周面との接触部から、次の接触部まで延びたほぼ三日月状をなしている。これら圧縮室２３の各容積はヘリカルブレード２４のピッチに対応して、図１中左側の吸込口２５側から右端の吐出口２６側へ向って徐々に小さくなっている。

ローラ２２は、このローラ２２のローラクランク部２２ｂに形成されたクランク部軸孔２２ｃにその軸方向の両側から各々挿入されて収納された一対の単列玉軸受２７、２７を介して、上記クランクシャフト４のクランク部４ａに軸支されている。

さらに、ローラクランク部２２ｂには、冷却系５の一部を構成し、複数の長孔貫通孔からなるローラ通気孔２２ｄが設けられている。

上記電動機部３は、合成樹脂などの絶縁材料によって形成されたカバー３１によって覆われたモータステータ３２と、このモータステータ３２内で回転するモータロータ３３とからなっている。このモータロータ３３には、上記クランクシャフト４が取付けられ、ヘリカル圧縮機構部２側に延出されている。

また、クランクシャフト４は、主軸受部６に設けられた主単列玉軸受６ａ及び副軸受部７に設けられた副単列玉軸受７ａによって支持されている。さらに、クランクシャフト４には、ローラクランク部２２ｂに軸方向で対向し、ローラ２２に設けられたバランサ収納部２２ｅ、２２ｆに収納された大きさの異なるバランサ４ｅ、４ｆが取付けられている。

上記冷却系５は、ヘリカル圧縮機構部２及び電動機部３の一部、特にヘリカル圧縮機構部２を冷却するためのもので、冷却系５は、主軸受部６の側面に設けられ外部に開口する図示しない外気取入口、主軸受部６に多数設けられた主軸受部通気孔６ｃ、バランサ収納部２２ｅ、ローラクランク部２２ｂに多数設けられたローラ通気孔２２ｄ、バランサ収納部２２ｆ、副軸受部７に設けられ、かつ、ローラ２２の自転防止のためのオルダム機構９用の溝部７ｂに設けられた副軸受部通気孔７ｃ及び副軸受部７に共締め用螺子７ｄによって取付けられたファンカバー８ａで囲われクランクシャフト４の他端部に設けられた冷却ファン８から構成されている。この冷却ファン８は、吐出口２６側に設けられている。これにより、吸込口側に比べて高温になる吐出口側がより強力に冷却される。

また、ヘリカル圧縮機１の下部には、ヘリカル圧縮機本体１ａを支持するベース部１０が設けられており、このベース部１０には、弾性構造を有する脚部１１が設けられている。

次に本第１実施形態の燃料電池用圧縮機の作用について説明する。

図１に示すような燃料電池用圧縮機１の電動機部３に通電することにより、電動機部３が起動されてモータステータ３２内に回転磁界が生じ、モータロータ３３が回転駆動される。モータロータ３３の回転力はクランクシャフト４を介してクランク部４ａに伝達され、ローラ２２を偏心回転（公転）させる。このローラ２２の偏心回転により、ローラ２２はシリンダ２１の内周面に内接しながら摺動し、公転される。上記ローラ２２の偏心回転によりシリンダ２１とローラ２２との間にヘリカルブレード２４により形成される各圧縮室２３はシリンダ軸方向にヘリカル状に移動しながら容積が次第に小さくなるように体積変化する。各圧縮室２３は体積変化により外部に連通された吸込口２５を介して吸込まれた外気が順次圧縮されて高圧化され、吐出口２６および吐出管を介して燃料電池に送られる。

このような、圧縮行程において、冷却系５では、クランクシャフト４の回転により、冷却ファン８が回転する。この冷却ファン８の回転により、冷却空気は、外気導入孔（図示せず）から導入され、主軸受部通気孔６ｃに達し、この主軸受部通気孔６ｃから、バランサ収納部２２ｅ、ローラ通気孔２２ｄ、バランサ収納部２２ｆ、及び副軸受部通気孔７ｃを通って、ヘリカル圧縮機構部２を冷却した後、冷却ファン８に達する。このように、外気と接していないヘリカル圧縮機構部２のローラ２２の内側（ローラ通気孔２２ｄ近傍）は効果的に冷却される。また、オルダム機構９は発熱するが、溝部７ｂには副軸受部通気孔７ｃが設けられているので、オルダム機構９は効果的に冷却される。また、クランクシャフトは、２個の軸受部で支持され、その一方の軸受部側にはモータロータが取付けられ、他方の軸受部側には冷却ファンが取付けられているので、上記のようにヘリカル圧縮機構部及びオルダム機構は効果的に冷却されると共に、バランスのよい回転が行われる。

上記のように本第１実施形態の燃料電池用圧縮機によれば、ヘリカル圧縮機構部２が用いられているので、連続的な空気の移送が可能になり、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になり、さらに、空気の圧縮移送に用いる場合は、移送される被圧縮流体が空気であるので、外気に漏れても問題なく、圧縮機部と電動機部が外気に開放された開放構造が可能であり、ファンなどによる冷却が容易であり、簡略な構造にできる。

また、本発明に係わる燃料電池用圧縮機の第２実施形態について説明する。

上記第１実施形態が開放型であるのに対して、本第２実施形態は圧縮機構部の作動部および電動機部のモータロータが密閉構造である。

例えば、図２に示すように、本第２実施形態の燃料電池用圧縮機１Ａは、燃料電池に送り込む都市ガスなどの燃料ガスを昇圧するのに用いられ、ヘリカル圧縮機構部２と、電動機部３、この電動機部３とヘリカル圧縮機構部２間に設けられたクランクシャフト４を有している。

また、圧縮機構部３のヘリカルブレード２４、シリンダ２１の内周面とローラ２２の外周面とで形成される作動部２ａおよび電動機部３のモータロータ３３は密閉構造になっており、すなわち作動部２ａおよびモータロータ３３は密閉空間部１Ａｂに収容されており、この密閉空間部１Ａｂは、シリンダ（ローラ収容部）２１と、外気側にあるモータステータ３２のモータロータ収容部３３ａと、シリンダ２１およびモータステータ３２の一側をほぼ塞ぐ主軸受部６Ａと、それらの他側を塞ぐ副軸受部７およびキャン３１Ａとで画設されており、主軸受部６Ａには外気取入口は設けられていない。このキャンの材質は、モータの効率低下を最小限に抑えるために、ステンレスなどが用いられるのが好ましい。キャン３１Ａを設けることにより、巻線部３２ａに電流が流れるモータステータ３２に都市ガスなどの可燃ガスが接する心配がなくなる。

他の構成は図１に示す燃料電池用圧縮機と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

従って、燃料電池用圧縮機のモータステータは外気側にあり、燃料ガスが存在する作動部および通電する電動機部が外気と遮断されるので、燃料ガスと空気が混合する危険性がなく、かつ、燃料ガスと通電する電動機部３が接することがなくなり、安全性が確保される。

また、本発明に係わる燃料電池用圧縮機の第３実施形態について説明する。

上記第２実施形態が電動機部および圧縮機構部がクランクシャフトの軸方向に沿って配置されるのに対して、本第３実施形態は電動機部が圧縮機構部のローラ内に収容されたものである。

例えば、図３に示すように、燃料電池用圧縮機１Ｂは、底部２１Ｂ_１が設けられたシリンダ２１Ｂとこのシリンダ２１Ｂ内に偏心配置されたローラ２２Ｂを有するヘリカル圧縮機構部２Ｂと、このヘリカル圧縮機構部２Ｂのローラ２２Ｂ内に収容された電動機部３Ｂと、この電動機部３Ｂのモータステータ３２Ｂに嵌着された固定軸４Ｂとを有している。

電動機部３Ｂは、ローラ２２Ｂの内側において、モータステータ３２Ｂと、このモータステータ３２Ｂの外周面に所定の間隙を設けて外嵌されたモータロータ３３Ｂとを配設してアウターロータ型に構成され、モータステータ３２Ｂは中心軸４Ｂに嵌着されている。この中心軸４Ｂは、シリンダ２１Ｂの両端に設けられた副軸受部７Ｂ及びシリンダ底面２１Ｂ_１間に橋設されている。

従って、副軸受部７Ｂとシリンダ２１Ｂによってほぼ密閉の密閉空間部１Ｂが形成され、さらに、副軸受部７Ｂを完全に覆うように設けられたシリンダ上部カバー２１Ｂ_１によって、完全な密閉空間部１Ｂが形成される。これにより、作動部２Ｂａおよび電動機部３Ｂは密閉構造になっており、すなわち作動部２Ｂａおよび電動機部３Ｂは、密閉空間部１Ｂに密閉空間部１Ｂに収容された状態になっている。

電動機部３Ｂのモータロータ３３Ｂの主ロータフレーム３３Ｂａには偏心部３３Ｂａ_１が形成され、この偏心部３３Ｂａ１と当接するローラ２２Ｂがモータロータ３３Ｂにより偏心回転されるようになっている。

また、シリンダ上部カバー２１Ｂ_１には、燃料ガス供給管に連通される燃料ガス吸込口２５Ｂが設けられており、ローラ２２Ｂの下部に設けられた図示しない吸込用通気口を介して、燃料ガスがヘリカル圧縮機構部２Ｂの作動室に吸い込めるようになっている。さらに、シリンダ２１Ｂにはガス吐出口２６Ｂが設けられており、吐出口２６Ｂを介して、ヘリカル圧縮機構部２Ｂで圧縮された燃料が燃料電池に送られるようになっている。

本第３実施形態の燃料電池用圧縮機によれば、連続的なガスの移送が可能になり、消費電力が少なく、振動、騒音、脈動の小さい燃料電池装置が可能になる。また燃料ガスが存在する作動部および通電する電動機部が外気と遮断されるので、燃料が外気の空気と混合することがなく、発火などの危険性がなく安全であり、さらに、小型で安価、かつ、ロータ、ローラが、強固、安定して支持され、かつ荷重に対して安定した回転が得られる。

本発明に係る燃料電池用圧縮機の第１実施形態の縦断面図。 本発明に係る燃料電池用圧縮機の第２実施形態の縦断面図。 本発明に係る燃料電池用圧縮機の第３実施形態の縦断面図。

符号の説明

１…燃料電池用圧縮機、２…ヘリカル圧縮機構部、３…電動機部、４…クランクシャフト、４ａ…クランク部、５…冷却系、６…主軸受部、６ａ…主単列玉軸受、７…副軸受部、７ａ…副単列玉軸受、８…冷却ファン、８ａ…ファンカバー、２１…シリンダ、２２…ローラ、２２ａ…螺旋溝、２２ｂ…ローラクランク部、２３…圧縮室、２４…ヘリカルブレード、３２…モータステータ、３３…モータロータ。

Claims (3)

1. 空気を昇圧して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、この圧縮機はシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置されたローラと、このローラとシリンダとの間に作動室を区画形成する螺旋状のブレードと、前記ローラをシリンダ内で偏心回転させるためのクランクシャフトを備えたヘリカル式圧縮機構部と、前記クランクシャフトを介して前記圧縮機構部を駆動する電動機部とからなり、前記ローラに形成された通気口を介して外気が前記圧縮機構部内を流通可能とされていることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
2. 燃料ガスを昇圧して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、この圧縮機はシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置されたローラと、このローラとシリンダとの間に作動室を区画形成する螺旋状のブレードと、前記ローラをシリンダ内で偏心回転させるためのクランクシャフトを備えたヘリカル式圧縮機構部と、前記クランクシャフトを介して前記圧縮機構部を駆動する電動機とからなり、前記圧縮機構部の作動部および電動機部を密閉構造として外気と遮断することを特徴とする燃料電池用圧縮機。
3. 燃料ガスを昇圧して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、この圧縮機はシリンダと、このシリンダ内に偏心して配置されたローラと、このローラとシリンダとの間に作動室を区画形成する螺旋状のブレードと、前記ローラをシリンダ内で偏心回転させるためのクランクシャフトを備えたヘリカル式圧縮機構部と、前記クランクシャフトを介して前記圧縮機構部を駆動する電動機部とからなり、前記圧縮機構部は前記ローラ内に収容され、かつ前記圧縮機構部の作動部および電動機部のモータロータを密閉構造として外気と遮断し、電動機のステータを外気に露出させたことを特徴とする燃料電池用圧縮機。

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