JP2005163713A - 流体圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】たとえモータ室内にポンプ室側から水素を含んだ流体が進入したとしても、モータ室内で水が生成されるという事態を回避でき、流体圧縮機としての性能が劣化することを防止できる流体圧縮機を提供する。
【解決手段】モータハウジング１１とポンプハウジング１４とが仕切壁１２及び軸受ブロック１６を介して一体組み付けされ、この仕切壁１２及び軸受ブロック１６を貫通するように、モータ室１３内の電動モータ２９の駆動軸２３がポンプ室１７内の駆動ロータ３３に連結されている。また、モータ室１３内には不活性ガスＧが充填されている。従って、たとえポンプ室１７側からモータ室１３内へ貫通部位を介して水素オフガスが進入したとしても、モータ室１３内には空気（酸化剤ガス）は存在しないため、モータ室１３内で水が反応生成されることはない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプ室内に送り込んだ流体をロータの回転に基づき圧縮して吐出口からポンプ室外へ吐出する流体圧縮機に関する。

従来、水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池システムでは、発電に伴い水が生成されるので、この生成水を燃料電池内から排出するために、水素ガス及び酸化剤ガスを発電に必要な消費量よりも多く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（所謂水素オフガス）中には未反応の水素ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃料電池システムの燃費が悪化してしまう。そこで、この水素オフガスを循環させて再び燃料電池へ供給することにより、燃料電池システムの燃費向上を図るために、燃料電池システムには水素オフガスを強制的に循環させるための手段として流体圧縮機が使用されている（特許文献１参照）。即ち、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池から排出された水素オフガスを、気液分離を行う凝縮器を介して流体圧縮機に取り込み、当該圧縮機のポンプ室で圧縮した後、水素タンクから新たに供給される新鮮な水素ガスに混合して再び燃料電池のアノード側へ供給するようにしている。また、燃料電池のカソード側へは酸化剤ガスとなる周辺空気が別の流体圧縮機を介して供給されるようになっている。

近時、このような機能を持つ流体圧縮機として、例えば特許文献２に記載されるような流体圧縮機が提案されている。この特許文献２の流体圧縮機は、空気（酸化剤ガス）を燃料電池に供給する空気圧縮機であり、モータが収納されたモータ室を内部に有するモータハウジングと、前記モータの回転駆動に基づき回転するロータが収納されたポンプ室を内部に有するポンプハウジングとが一体組み付けされた構造をしている。モータ室とポンプ室との間はモータの回転軸が貫通するモータハウジングの底壁（隔壁）により隔てられており、その底壁における前記回転軸が貫通する部位にはシール材が介在されている。ところで、前述したように、燃料電池システムでは、このような空気を圧縮供給する流体圧縮機（空気圧縮機）とは別に、燃料電池に水素ガス（水素オフガス）を圧縮供給するための流体圧縮機（水素圧縮機）も設けられる。そして、その場合、当該流体圧縮機は、特許文献２に記載の流体圧縮機（空気圧縮機）と対比した場合、圧縮供給する流体が空気ではなく水素オフガスであるという点で相違するだけで、流体圧縮機としての構造は略同一とされる。
特開２００３−１５１５９２号公報（請求項１、図１） 特開２００２−５４５８７号公報（図１）

ところが、特許文献２に記載の流体圧縮機で水素オフガスを圧縮供給する場合には次のような問題があった。即ち、前記水素オフガスは、金属を透過するという性質を有しているため、前記ポンプ室とモータ室とを隔てるモータハウジングの底壁（隔壁）を透過してモータ室内に進入することがあった。また、前記モータハウジングにおける底壁のモータの回転軸が貫通する部位にはシール材が介在されているものの、前記回転軸が回転するには僅かながらも隙間が存在するため、その僅かな隙間を介してポンプ室側からモータ室側へ水素オフガスが進入することがあった。そのため、通常、モータ室内には組み付け時に空気が封じ込められることから、そのモータ室内の空気中に含まれる酸素とモータ室内に進入した水素オフガスの水素とが反応し、モータ室内において水が生成されるという事態を招いていた。従って、そのように水が生成された場合には、モータ室内の部材（例えばモータ等）の腐食を招いてしまい、その結果、流体圧縮機としての性能が劣化してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、たとえモータ室内にポンプ室側から水素を含んだ流体が進入したとしても、モータ室内で水が生成されるという事態を回避でき、流体圧縮機としての性能が劣化することを防止できる流体圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、モータが収納されたモータ室を内部に有するモータハウジングと、前記モータの回転駆動に基づき回転する駆動ロータが収納されたポンプ室を内部に有するポンプハウジングとを隔壁を介して一体組み付けし、前記モータ室内には不活性ガスを充填したことを要旨とする。従って、請求項１に記載の発明では、モータ室内にポンプ室側から水素を含んだ流体が進入したとしても、モータ室内には水素との反応で水を生成することがない不活性ガスが充填されているため、モータ室内で水が生成されるという事態が回避される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流体圧縮機において、前記不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトンのうちの少なくとも何れか１つであることを要旨とする。従って、請求項２に記載の発明では、不活性ガスの選択範囲が広がる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の流体圧縮機において、前記モータの回転駆動を前記ロータに伝達するための回転軸が前記隔壁を貫通して支持されており、前記隔壁における前記回転軸の貫通部位にはシール材が介在されていることを要旨とする。従って、請求項３に記載の発明では、モータ室に充填した不活性ガスが隔壁における回転軸の貫通部位を介してモータ室側からポンプ室側へ漏洩することが防止される。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の流体圧縮機において、前記モータハウジングと前記隔壁との接合面には気密保持部材が介在されていることを要旨とする。従って、請求項４に記載の発明では、モータ室に充填した不活性ガスがモータハウジングと隔壁との接合面から外部へ漏洩することが防止される。また、モータ室内へ前記接合面を介して外部から水分が浸入することも防止される。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の流体圧縮機において、前記隔壁は、モータハウジングとポンプハウジングとの間に接合配置された複数の隔壁部材から構成され、各隔壁部材の接合面には前記気密保持部材が介在されていることを要旨とする。従って、請求項５に記載の発明では、モータ室に充填した不活性ガスが隔壁を構成する各隔壁部材の接合面から外部へ漏洩することが防止される。また、モータ室内へ前記接合面を介して外部から水分が浸入することも防止される。

本発明によれば、たとえモータ室内にポンプ室側から水素を含んだ流体が進入したとしても、モータ室内で水が生成されるという事態を回避でき、流体圧縮機としての性能が劣化することを防止できる。

以下、本発明を燃料電池システムにおいて使用される流体圧縮機の一種たる水素圧縮機に具体化した一実施形態を図１〜図２に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の水素圧縮機１０は、モータ部Ｍとポンプ部Ｐとから構成されている。前記モータ部Ｍは、一端側（図１では左端側）が閉塞し、他端側（図１では右端側）が開口した有底略筒状をなすモータハウジング１１と、モータハウジング１１に対して開口を閉塞するように印籠結合された仕切壁（隔壁部材）１２とを備えてなり、モータハウジング１１の内面と仕切壁１２の内面とによりモータ室１３が囲み形成されている。前記モータ室１３内には、不活性ガス（例えば窒素）Ｇが充填されている。一方、前記ポンプ部Ｐは、一端側（図１では左端側）が開口した有底略楕円筒状をなすポンプハウジング１４と、ポンプハウジング１４に対して開口を閉塞するようにボルト１５により締付け結合された軸受ブロック（隔壁部材）１６とを備えてなり、ポンプハウジング１４の内面と軸受ブロック１６の内面とによりポンプ室１７が囲み形成されている。そして、本実施形態では、前記仕切壁１２と軸受ブロック１６とにより隔壁が構成されている。

また、前記ポンプ部Ｐにおいて、ポンプハウジング１４の他端側（図１では右端側）には、ポンプハウジング１４よりも小サイズの有底略楕円筒状をなすギアハウジング１８がボルト（図示略）により接合固定され、ポンプハウジング１４の他端側外面とギアハウジング１８の内面とによりギア室１９が囲み形成されている。そして、前記仕切壁１２の外面と前記軸受ブロック１６の外面とがボルト等（図示略）を介して接合固定されることにより、前記モータ部Ｍとポンプ部Ｐとが一体構成となるように組み付け結合されている。なお、前記モータハウジング１１と仕切壁１２との接合面、前記ポンプハウジング１４と軸受ブロック１６との接合面、前記ポンプハウジング１４とギアハウジング１８との接合面、及び前記仕切壁１２と軸受ブロック１６との接合面には、外部に対して気密を保持するためのＯリング２０が気密保持部材として夫々介在されている。

前記モータハウジング１１の底部２１には、モータハウジング１１の軸心と同軸上で且つモータ室１３内に臨む位置にベアリング２２が設けられ、該ベアリング２２に対して駆動軸（回転軸）２３の一端（図１では左端）が回動可能に軸支されている。この駆動軸２３の他端側は、前記仕切壁１２に形成された貫通孔１２ａと軸受ブロック１６に形成された貫通孔１６ａ及びポンプハウジング１４の底部２４に形成された貫通孔２４ａを貫通して前記ギア室１９内まで延設されている。そして、当該駆動軸２３は、その他端部が前記ポンプハウジング１４の底部２４に設けられたベアリング２５に回動可能に軸支されると共に、その中間部分が前記軸受ブロック１６に設けられたベアリング２６に回動可能に挿通支持されている。また、モータ室１３内において、前記駆動軸２３にはモータ回転子２７が取付固定されると共に、モータ固定子２８が前記モータ回転子２７の外周側に位置するようにモータハウジング１１に取付固定され、前記モータ回転子２７とモータ固定子２８とにより電動モータ２９が構成されている。

一方、前記ポンプ部Ｐのポンプ室１７内には、前記駆動軸２３と平行をなす従動軸３０がポンプハウジング１４の底部２４に設けられたベアリング３１と軸受ブロック１６に設けられたベアリング３２とに両端部をそれぞれ回動可能に支持された状態で配設されている。そして、ポンプ室１７内において、前記駆動軸２３及び従動軸３０には双葉状をなす駆動ロータ３３、従動ロータ３４がそれぞれ取付固定されている。また、従動軸３０の他端側は、駆動軸２３の他端側と同様に、ポンプハウジング１４の底部２４を貫通して、前記ギア室１９内まで延設されている。そして、ギア室１９内において、駆動軸２３の他端部に固定された駆動ギア３５と従動軸３０の他端部に固定された従動ギア３６とが噛合連結されている。また、前記軸受ブロック１６内においてベアリング２６の駆動ロータ３３側には、駆動軸２３と軸受ブロック１６との間隙をシールするシールリング（シール材）３７が介在されている。同様に、軸受ブロック１６内においてベアリング３２の従動ロータ３４側には、従動軸３０と軸受ブロック１６との間隙をシールするシールリング（シール材）３７が介在されている。本実施形態では、前記ポンプハウジング１４の底部２４内においてベアリング２５の駆動ロータ３３側にもまた、駆動軸２３とポンプハウジング１４との間隙をシールするシールリング３７が介在されている。同様に、前記ポンプハウジング１４の底部２４内においてベアリング３１の従動ロータ３４側には、従動軸３０とポンプハウジング１４との間隙をシールするシールリング（シール材）３７が介在されている。

また、水素圧縮機１０は駆動軸２３及び従動軸３０の両軸線を含む仮想面が水平となるように設置される。前記ポンプ部Ｐにおけるポンプハウジング１４の天井部には、図示しない燃料電池から排出された水素オフガスをポンプ室１７内へ取り込むための吸入口（図示略）が設けられている。また、ポンプ室１７の底部には、各ロータ３３，３４の回転駆動によりポンプ室１７内で圧縮された水素オフガスをポンプ室１７から吐出するための吐出口３８が設けられている。このため、前記吸入口から取り込まれた水素オフガスは、前記吐出口３８から吐出され、再び燃料電池に供給されることになる。このように、水素圧縮機１０においては、ポンプ室１７内へ水素オフガスを取り込んで圧縮し、その圧縮した水素オフガスを吐出するという圧縮供給運動が繰り返し行われる。

そこで次に、上記のように構成された本実施形態の水素圧縮機（流体圧縮機）１０の作用に関し、ポンプ室１７内の水素オフガスがモータ室１３に進入した場合の作用を中心に以下説明する。

さて、水素圧縮機１０が前述したように水素オフガスの圧縮供給運動を繰り返し行っている場合において、前記吸入口から取り込まれた水素オフガスの一部が、図２に示すように、前記軸受ブロック１６の貫通孔１６ａ及び仕切壁１２の貫通孔１２ａを介してポンプ室１７側からモータ室１３内へ進入してしまうことがあり得る。即ち、軸受ブロック１６の貫通孔１６ａにはシールリング３７が介在されているものの、駆動軸２３の回転を許容するだけの僅かな隙間がシールリング３７と駆動軸２３の周面との間には存在する。また、仕切壁１２の貫通孔１２ａにも駆動軸２３の周面との間に当該駆動軸２３の回転を許容するだけの隙間が存在する。そのため、ポンプ室１７内で圧縮された水素オフガスは前記各隙間を通じてモータ室１３内へ進入することがある。また、水素ガス（水素オフガス）は、金属を透過する性質を持っているため、金属材料（例えばアルミニウム合金）からなる軸受ブロック１６及び仕切壁１２を透過してモータ室１３内に進入することもあり得る。

しかし、本実施形態の場合、モータ室１３には不活性ガス（窒素）Ｇが充填されているため（即ち、空気（酸化剤ガス）が残留していないため）、当該モータ室１３に進入した水素オフガスは、空気（酸化剤ガス）との反応に基づき水を生成することがない。そのため、モータ室１３内へ水素オフガスが進入した場合でも、空気（酸化剤ガス）との反応に基づき水が生成されることはないので、当該モータ室１３内の部材（電動モータ２９等）の腐食が回避され、その結果、水素圧縮機１０の性能が劣化することも防止される。

その一方、モータ室１３内に充填された不活性ガス（窒素）Ｇは、軸受ブロック１６の貫通孔１６ａに介在されたシールリング３７によりポンプ室１７側へ漏洩することが防止される。また、不活性ガス（窒素）Ｇは、気密保持部材として機能するＯリング２０の働きにより、モータハウジング１１と仕切壁１２との接合面、及び、仕切壁１２の貫通孔１２ａを通過して当該仕切壁１２と軸受ブロック１６との接合面から外部へ漏洩することが防止される。さらには、前記モータハウジング１１と仕切壁１２との接合面、及び仕切壁１２と軸受ブロック１６との接合面を介して外部から水分がモータ室１３内へ浸入することも防止される。

従って、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。
（１）たとえポンプ室１７側からモータ室１３内へ水素オフガスが進入したとしても、モータ室１３内には不活性ガス（窒素）Ｇが充填されている（即ち、空気（酸化剤ガス）は存在しない）ため、モータ室１３内で水が反応生成されることはない。従って、モータ室１３内の部材（例えば電動モータ３９等）が水分により腐食することを良好に回避することができ、水素圧縮機１０の性能が劣化することを良好に防止できる。

（２）不活性ガスＧとしてモータ室１３内に充填されている窒素は、当該窒素の拡散速度が空気の拡散速度と比較して遅いため（１／３程度であるため）、当該モータ室１３内から漏洩しにくい。従って、水素圧縮機１０の性能が長期にわたって維持できる。

（３）軸受ブロック１６内において駆動軸２３の貫通部位である貫通孔１６ａ内には、シール材としてのシールリング３７が介在されている。従って、モータ室１３に充填した不活性ガスＧが軸受ブロック１６における駆動軸２３の貫通部位を介してモータ室１３側からポンプ室１７側へ漏洩することを良好に防止できる。

（４）モータハウジング１１と仕切壁１２との接合面には気密保持部材としてのＯリング２０が介在されている。従って、モータ室１３内に充填した不活性ガスＧがモータハウジング１１と仕切壁１２との接合面から外部へ漏洩することを良好に防止できる。また、モータ室１３内へ前記接合面を介して外部から水分が浸入することも防止できる。

（５）仕切壁１２と軸受ブロック１６との接合面には気密保持部材としてのＯリング２０が介在されている。従って、モータ室１３内に充填した不活性ガスＧが仕切壁１２と軸受ブロック１６との接合面から外部へ漏洩することを良好に防止できる。また、モータ室１３内へ前記接合面を介して外部から水分が浸入することも防止できる。

なお、本実施形態は以下のような別の実施形態（別例）に変更してもよい。
○ 前記実施形態では、モータハウジング１１の開口を閉塞する仕切壁（隔壁部材）１２とポンプハウジング１４の開口を閉塞する軸受ブロック（隔壁部材）１６とから隔壁を構成したが、軸受ブロック１６のみから隔壁を構成してもよい。この場合は、軸受ブロック１６がモータハウジング１１とポンプハウジング１４の両開口を閉塞することになる。

○ 前記実施形態において、モータハウジング１１と仕切壁１２との接合面等の各接合面に介在される気密保持部材としてはＯリング２０を採用したが、それらの接合面を介して不活性ガスＧが外部へ漏洩すること、及び、それらの接合面から水分が浸入することを防止できる気密保持部材ならばＯリング２０以外の気密保持部材も採用可能である。

○ 前記実施形態では、軸受ブロック１６の貫通孔１６ａ内にシール材としてのシールリング３７を介在させたが、仕切壁１２の貫通孔１２ａ内にシール材としてのシールリング３７を介在させた構成であってもよい。

○ 前記実施形態では、不活性ガスＧとして窒素をモータ室１３内に充填させたが、水素と反応して水を生成することがない不活性ガス（例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン又はクリプトン等）であれば、窒素以外も採用可能である。また、複数種類の不活性ガスＧを任意に組合わせた混合ガス（例えば窒素とネオン等）をモータ室１３内に充填させてもよい。

○ 前記実施形態では、燃料電池システムにおいて水素ガス（水素オフガス）を循環させる水素圧縮機１０に具体化したが、水素を含む流体を圧縮供給する流体圧縮機ならば、燃料電池システムに使用される流体圧縮機以外の流体圧縮機（水素圧縮機）に具体化してもよい。

本実施形態に係る水素圧縮機の概略平面断面図。 水素オフガスのモータ室内への進入態様を説明する図１の一部拡大図。

符号の説明

１０…水素圧縮機（流体圧縮機）、１１…モータハウジング、１２…隔壁を構成する仕切壁（隔壁部材）、１３…モータ室、１４…ポンプハウジング、１６…隔壁を構成する軸受ブロック（隔壁部材）、１７…ポンプ室、２０…Ｏリング（気密保持部材）、２３…駆動軸（回転軸）、２９…電動モータ（モータ）、３３…駆動ロータ、３４…従動ロータ、３７…シールリング（シール材）、Ｇ…不活性ガス。

Claims (5)

1. モータが収納されたモータ室を内部に有するモータハウジングと、前記モータの回転駆動に基づき回転するロータが収納されたポンプ室を内部に有するポンプハウジングとを隔壁を介して一体組み付けし、前記モータ室内には不活性ガスを充填した流体圧縮機。
2. 前記不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトンのうちの少なくとも何れか１つである請求項１に記載の流体圧縮機。
3. 前記モータの回転駆動を前記ロータに伝達するための回転軸が前記隔壁を貫通して支持されており、前記隔壁における前記回転軸の貫通部位にはシール材が介在されている請求項１又は請求項２に記載の流体圧縮機。
4. 前記モータハウジングと前記隔壁との接合面には気密保持部材が介在されている請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の流体圧縮機。
5. 前記隔壁は、モータハウジングとポンプハウジングとの間に接合配置された複数の隔壁部材から構成され、各隔壁部材の接合面には前記気密保持部材が介在されている請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の流体圧縮機。

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