JP2007247630A - 燃料電池用気体圧縮モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムで使用される気体圧縮モジュールの重心を安定させる技術を提供する。
【解決手段】２つのロータＲＴ１、ＲＴ２をポンプ室２０に収納するエアコンプレッサＡＣの主回転軸２１ａとモータＭＴの駆動軸２５とを連結するとモータＭＴがエアコンプレッサＡＣの主回転軸２１ａ側に寄った状態となる。それによって生じたエアコンプレッサＡＣとモータＭＴとの段差（デッドスペース）にインタークーラＩＣを設置し、エアコンプレッサＡＣとモータＭＴとインタークーラＩＣとを一体的に組み合わせた気体圧縮モジュールとする。この気体圧縮モジュールは、モータＭＴとエアコンプレッサＡＣの重量差による重心の偏りをインタークーラＩＣの重量の分だけ低減されている。またこの気体圧縮モジュールは、デッドスペースを有効活用しているのでコンパクトである。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池スタックに圧縮空気を供給するための気体圧縮モジュールに関する。

燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）とともに酸化ガス（空気）を効率よく燃料電池スタックに供給する必要がある。そのために、ルーツ式のエアコンプレッサなどを用いて燃料電池スタックに多量の圧縮空気を供給する気体圧縮モジュールが広く使用されている（特許文献１等）。

特開２００４−３６０６５２ 特開２００５−１８０４２１ 特開２００５−１５５５５４

しかし、ルーツ式のエアコンプレッサは、電力効率が高い反面、駆動部であるモータと組み合わせるとエアコンプレッサの片側にモータが寄ってしまうため、その重心に偏りが生じ、その稼働時に振動を発生しやすいことを、本発明の発明者が見出した。そのような振動が発生すると気体圧縮モジュールは非常に不安定な状態となり燃料電池システムにとって好ましくない。従来の気体圧縮モジュールではこうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。

本発明は、燃料電池システムで使用される気体圧縮モジュールの重心を安定させる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムにおいて使用される気体圧縮モジュールであって、エアコンプレッサと、前記エアコンプレッサを駆動するモータと、前記エアコンプレッサから排出された圧縮ガスを冷却するインタークーラとを備え、前記エアコンプレッサは、前記モータのモータ駆動軸と接続され、第１のロータを回転駆動する主回転軸と、前記主回転軸から動力を伝達されて第２のロータを回転駆動する従回転軸と、前記第１のロータと前記第２のロータを収納するポンプ室とを備え、前記インタークーラは、前記主回転軸の中心線と前記従回転軸の中心線とで形成される仮想的無限平面上に存在し、かつ、前記インタークーラが前記モータよりも前記従回転軸側に存在するように設置されていることを特徴とする。

この構成によれば、エアコンプレッサとモータとの重量差による重心の偏りをインタークーラの重量により調整することが可能である。

上記の気体圧縮モジュールは、前記インタークーラと前記モータのそれぞれの重心が、前記仮想的無限平面上に存在しているものとしても良い。

この構成によれば、この気体圧縮モジュールは、仮想的無限平面に対して垂直な方向の重心の偏りを低減できる。

上記の気体圧縮モジュールは、前記インタークーラが前記モータのケーシング上に設置されているものとしても良い。

この構成によれば、この気体圧縮モジュールは、エアコンプレッサとモータとインタークーラとがを一体的に組み合わされたコンパクトな気体圧縮モジュールとなる。

上記の気体圧縮モジュールは、前記エアコンプレッサの重心から前記インタークーラの重心までの距離をＡとし、前記エアコンプレッサの重心から前記モータの重心までの距離をＢとし、前記インタークーラの重量をＸとし、前記モータの重量をＹとしたとき、前記インタークーラは、Ｘ／Ｙの値がＢ／Ａの値の１００±１０％の範囲となる位置に設置されているものとしても良い。

この構成によれば、この気体圧縮モジュールは、インタークーラを上としモータを下としたときの上下方向の重心の偏りを低減できる。

また、本発明は、燃料電池システムにおいて使用される気体圧縮モジュールであって、エアコンプレッサと、前記エアコンプレッサを駆動するモータと、前記エアコンプレッサから排出される圧縮ガスを冷却するインタークーラとを備え、前記エアコンプレッサは、前記モータのモータ駆動軸と接続され、第１のロータを回転駆動する主回転軸と、前記主回転軸から動力を伝達されて第２のロータを回転駆動する従回転軸と、前記第１のロータと前記第２のロータを収納するポンプ室とを備え、前記インタークーラは、前記ポンプ室の外周上の位置であって、前記主回転軸に対して前記従回転軸と反対側の位置に設置されていることを特徴とする。

この構成によれば、インタークーラの重量によって重心がエアコンプレッサ側に移動し、重心の偏りを低減できる。従って、気体圧縮モジュールは燃料電池システム内においてより安定した稼働が可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、気体圧縮モジュールを用いた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例１：
Ｂ．実施例２：
Ｃ．実施例３：
Ｄ．変形例：

Ａ．実施例１：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と、空気系統１１と、水素系統１３とを備えている。

燃料電池スタック１０は、発電を行う単セルを複数積層したスタック構造を有している固体高分子型燃料電池である。単セルとは、固体高分子材料である電解質膜を両側から電極触媒層により挟持された膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに、セパレータと呼ばれる金属板により両側から挟持した構成を有する発電モジュールである。ＭＥＡは、２つの電極触媒層に燃料ガス（水素）及び酸化ガス（空気）がそれぞれ供給されることで発電する。

セパレータは、ＭＥＡの各電極触媒層への水素及び空気の供給と、発電化学反応に供されなかった水素及び酸素の排気とを行うためのガス通路溝を有する。また、セパレータは、冷却水の通路溝を有することでＭＥＡを冷却する機能を持ち、さらに金属板で構成することにより集電機能をも併せ持つ。

空気系統１１は、燃料電池スタック１０に対して空気の供給と排気とを担う。空気系統１１は、燃料電池スタック１０に空気を供給する供給配管１２ｓと、燃料電池スタック１０からの排出空気を外部に排出する排出配管１２ｅとを備える。供給配管１２ｓには、エアクリーナ１５が設けられており、その下流側にエアコンプレッサＡＣが設けられ、さらにその下流側にインタークーラＩＣが設けられている。エアコンプレッサＡＣは駆動部であるモータＭＴと接続している。

なお、空気系統１１は、燃料電池スタック１０に供給される空気を加湿する加湿モジュールなどが設けられているものとしても良い。また、エアフロメータや調圧バルブを設けることで空気の圧力や流量を調節するものとしても良い。インタークーラＩＣの冷却方式は、空冷のものでも水冷のものでも良く、他の方式のものとしても良い。

水素系統１３は、燃料電池スタック１０に対して水素の供給と排気を担う。水素系統１３は、燃料電池スタック１０に水素を供給する水素供給配管１４ｓと、燃料電池スタック１０からの排出水素を排出する水素排出配管１４ｅとを備えている。また水素系統１３には、図示されていないが、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンクや、水素の流量や圧力を調整するバルブなどが設けられている。なお、水素タンクからの水素供給に代えて、例えば、メタン、メタノールなどの改質を行う改質器を用いて水素ガスを生成、供給するものとしても良い。

燃料電池システムは、上記のものの他に、燃料電池スタック１０内に冷却水を供給し循環させて燃料電池スタック１０を冷却する冷却系統や、燃料電池スタック１０で発電した電気を外部へ出力するための出力部などを備えているが、図示が省略されている。

次に、空気系統１１内の空気の流れを説明する。供給配管１２ｓを通過する空気は、エアクリーナ１５によって除塵され、エアコンプレッサＡＣによって圧縮される。圧縮された空気は非常に高温（１６０℃程度）になっており、燃料電池スタック１０の動作温度（１２０℃程度）よりも高い。そのため、インタークーラＩＣによって圧縮空気は冷却され、燃料電池スタック１０へと供給される。

図２は、上述の燃料電池システムにおいて使用される本実施例の気体圧縮モジュールを示す略断面図である。この気体圧縮モジュールは、上述の燃料電池システムの空気系統１１を構成するエアコンプレッサＡＣとモータＭＴとインタークーラＩＣとを一体的に組合せたものである。

エアコンプレッサＡＣとしては２つのロータを有する２軸式のものが好ましく、本実施例では、その中でも電力効率の高いルーツ式を採用している。エアコンプレッサＡＣは、ポンプ室２０とギヤ室２３とを備えている。また、エアコンプレッサＡＣは、ポンプ室２０を貫通する主回転軸２１ａと従回転軸２１ｂとを備えている。主回転軸２１ａは、ポンプ室２０内において、第１のロータＲＴ１と連結されており、同様に、従回転軸２１ｂは、ポンプ室２０内において、第２のロータＲＴ２と連結されている。

主回転軸２１ａは、隔壁２２の外側に突出した一端において、ギヤ室２３に収納されている第１のギヤ２３ａに連結している。この第１のギヤ２３ａは、同じくギヤ室２３に収納されている第２のギヤ２３ｂと噛み合っており、第２のギヤ２３ｂは従回転軸２１ｂに連結している。この構成によって、回転駆動力が、主回転軸２１ａからギヤ２３ａ、２３ｂを介して従回転軸２１ｂへと伝達され、ロータＲＴ１、ＲＴ２を駆動する。

さらにエアコンプレッサＡＣの動作について詳述する。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ切断におけるエアコンプレッサＡＣのポンプ室２０内部の略断面図である。ロータＲＴ１、ＲＴ２はそれぞれ同一の繭形の対称形状を有しており、図のように配置され、それぞれ主回転軸２１ａ、従回転軸２１ｂを中心に矢印で示した方向に同一の回転速度で回転する。この構成によってエアコンプレッサＡＣは、内壁２０ＷとロータＲＴ１、ＲＴ２によって生じる空間の体積変化により、吸気口ＡＣｉから空気を吸入し、ポンプ室２０内で圧縮した後、排気口ＡＣｅからその圧縮空気を排出する。

気体圧縮モジュールの説明のため図２に戻る。モータＭＴの駆動軸２５は、エアコンプレッサＡＣの主回転軸２１ａと連結されている。エアコンプレッサＡＣは２つの回転軸２１ａ、２１ｂを有しているのに対して、モータＭＴは１つの駆動軸２５のみを有している。従って、図２においてインタークーラＩＣが無い状態を想定すると、ポンプ室２０の主回転軸２１ａの外側にはモータＭＴが存在するが、従回転軸２１ｂの外側には何も無い状態（段差のある形状）となる。このように、エアコンプレッサＡＣとモータＭＴの組合せだけでは形状として不安定である。加えて、エアコンプレッサＡＣとモータＭＴには重量差があるため、全体として重心も偏る。そこで、本実施例の気体圧縮モジュールでは、エアコンプレッサＡＣの下流側に設けられるインタークーラＩＣを一体的に組合せてこのような問題を軽減している。

インタークーラＩＣの吸気口ＩＣｉは、エアコンプレッサＡＣの排気口ＡＣｅと接続される。また、インタークーラＩＣの排気口ＩＣｅは、燃料電池スタック１０へと接続される。インタークーラＩＣは、モータＭＴよりもエアコンプレッサＡＣの従回転軸２１ｂ寄りの位置に、モータＭＴのケーシング２７と接するように固定されている。

図４は、この気体圧縮モジュールを図２における矢印４０の方向に見たときの正面図である。インタークーラＩＣは、図４における左右方向にバランスをとって配置されることが好ましい。即ち、主回転軸２１ａの中心線と従回転軸２１ｂの中心線とで形成される仮想的無限平面ＩＰ上に、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔとが存在していることが好ましい。なお、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔは、仮想的無限平面ＩＰより多少ずれた位置にあるとしても良い。

このように、インタークーラＩＣの重量により、気体圧縮モジュールの重心の偏りが低減され、気体圧縮モジュールは安定した運転が可能となる。また、エアコンプレッサＡＣの従回転軸２１ｂの外側に生じていた空間（デッドスペース）を有効に活用でき、気体圧縮モジュールはコンパクトとなる。従って、この気体圧縮モジュールは、燃料電池システムを限られた狭い空間（例えば車両など）に導入する際に有効である。さらに、インタークーラＩＣがエアコンプレッサＡＣに近接した配置となるため、高温で圧力の高い圧縮空気が通る配管経路を短くすることができ、従って、エアコンプレッサＡＣ以降の配管経路全体の圧力損失を低減することができる。

Ｂ．実施例２：
図５は、本実施例２における気体圧縮モジュールを示す略断面図である。インタークーラＩＣの位置以外は、図２とほぼ同じである。インタークーラＩＣは、エアコンプレッサＡＣの主回転軸２１ａに対して従回転軸２１ｂと反対側の空間に固定されている。なお、インタークーラＩＣとエアコンプレッサＡＣとは、その外壁同士が接しない状態で設置されていても良く、接する状態で設置されていても良い。

図６は、本実施例２における気体圧縮モジュールを図５の矢印６０の方向に見たときの正面図である。インタークーラＩＣは、図６における左右方向にバランスをとって配置されることが好ましい。即ち、主回転軸２１ａの中心線と従回転軸２１ｂの中心線とで形成される仮想的無限平面ＩＰ上に、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔとが存在していることが好ましい。なお、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔは、仮想的無限平面ＩＰより多少ずれた位置にあるとしても良い。

実施例２の構成によれば、エアコンプレッサＡＣより、モータＭＴの重量が重い場合（例えば、エアコンプレッサＡＣの重さが１０ｋｇ、モータＭＴの重さが１３ｋｇ）に、インタークーラＩＣとエアコンプレッサＡＣの合計重量を、モータＭＴの重量に近づけることが出来る。この結果、気体圧縮モジュール全体の重心をその中心に近づけることができる。

Ｃ．実施例３：
図７は、本実施例３における気体圧縮モジュールを示す略断面図である。インタークーラＩＣの位置以外は、図２とほぼ同じである。

上記の実施例１では、インタークーラＩＣはモータＭＴのケーシング２７に接する状態で固定されていたが、本実施例３ではインタークーラＩＣはケーシング２７から図７において示す上方向へ離した位置に固定されている。図７において、エアコンプレッサＡＣの重心ＧａｃからインタークーラＩＣの重心Ｇｉｃまでの距離をＡとして示し、エアコンプレッサＡＣの重心ＧａｃからモータＭＴの重心Ｇｍｔまでの距離をＢとして示している。インタークーラＩＣの重さをＸｋｇ（例えば１ｋｇ）として、モータＭＴの重さをＹｋｇ（例えば１３ｋｇ）としたときに、距離Ａ及び距離Ｂは、その比が、Ｘ：Ｙ＝Ｂ：Ａの関係を満たす値であるか、あるいはそれに近い値であることが好ましい。より具体的には、Ｂ／Ａの値を１００％としたときに、Ｘ／Ｙの値が１００±１０％の範囲にあることが好ましい。

図８は、本実施例３における気体圧縮モジュールを図７の矢印８０の方向に見たときの正面図である。インタークーラＩＣは、図８における左右方向にバランスをとって配置されることが好ましい。即ち、主回転軸２１ａの中心線と従回転軸２１ｂの中心線とで形成される仮想的無限平面ＩＰ上に、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔとが存在していることが好ましい。なお、インタークーラＩＣの重心Ｇｉｃとモータの重心Ｇｍｔは、仮想的無限平面ＩＰより多少ずれた位置にあるとしても良い。

このようにすれば、気体圧縮モジュールは、図７及び図８に示す上下方向の重心の偏りを低減し、気体圧縮モジュールの安定を図ることができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施例において、インタークーラＩＣに重さの釣り合いをとるためのおもりとしての機能を持たせているが、インタークーラＩＣに実際におもり等を付加することでさらに重心の位置を調整することも可能である。この場合に「インタークーラＩＣの重心」とは、おもり付きのインタークーラＩＣの重心を意味する。

燃料電池システムの全体概略構成を示す説明図。 実施例１における気体圧縮モジュールを示す略断面図。 ポンプ室の略断面図。 実施例１における気体圧縮モジュールを示す正面図。 実施例２における気体圧縮モジュールを示す略断面図。 実施例２における気体圧縮モジュールを示す正面図。 実施例３における気体圧縮モジュールを示す略断面図。 実施例３における気体圧縮モジュールを示す正面図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１１…空気系統
１２ｅ…排出配管
１２ｓ…供給配管
１３…水素系統
１４ｅ…水素排出配管
１４ｓ…水素供給配管
１５…エアクリーナ
２０…ポンプ室
２０Ｗ…内壁
２１ａ…主回転軸
２１ｂ…従回転軸
２２…隔壁
２３…ギヤ室
２３ａ…第１のギヤ
２３ｂ…第２のギヤ
２５…駆動軸
２７…ケーシング
ＡＣ…エアコンプレッサ
ＡＣｉ…吸気口
ＡＣｅ…排気口
Ｇａｃ…エアコンプレッサの重心
Ｇｉｃ…インタークーラの重心
Ｇｍｔ…モータの重心
ＩＣ…インタークーラ
ＩＣｅ…排気口
ＩＣｉ…吸気口
ＩＰ…仮想的無限平面
ＭＴ…モータ
ＲＴ１…第１のロータ
ＲＴ２…第２のロータ

Claims (5)

1. 燃料電池システムにおいて使用される気体圧縮モジュールであって、
   エアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサを駆動するモータと、
   前記エアコンプレッサから排出された圧縮ガスを冷却するインタークーラと、
   を備え、
   前記エアコンプレッサは、
   前記モータのモータ駆動軸と接続され、第１のロータを回転駆動する主回転軸と、
   前記主回転軸から動力を伝達されて第２のロータを回転駆動する従回転軸と、
   前記第１のロータと前記第２のロータを収納するポンプ室と、
   を備え、
   前記モータと前記インタークーラは、前記主回転軸の中心線と前記従回転軸の中心線とで形成される仮想的無限平面上に存在し、かつ、前記インタークーラが前記モータよりも前記従回転軸側に位置に存在するように設置されていることを特徴とする、気体圧縮モジュール。
2. 請求項１に記載の気体圧縮モジュールであって、
   前記インタークーラと前記モータのそれぞれの重心が、前記仮想的無限平面上に存在していることを特徴とする、気体圧縮モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の気体圧縮モジュールであって、
   前記インタークーラは、前記モータのケーシング上に設置されていることを特徴とする、気体圧縮モジュール。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の気体圧縮モジュールであって、
   前記エアコンプレッサの重心から前記インタークーラの重心までの距離をＡとし、
   前記エアコンプレッサの重心から前記モータの重心までの距離をＢとし、
   前記インタークーラの重量をＸとし、
   前記モータの重量をＹとしたとき、
   前記インタークーラは、Ｘ／Ｙの値がＢ／Ａの値の１００±１０％の範囲となる位置に設置されていることを特徴とする、気体圧縮モジュール。
5. 燃料電池システムにおいて使用される気体圧縮モジュールであって、
   エアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサを駆動するモータと、
   前記エアコンプレッサから排出される圧縮ガスを冷却するインタークーラと、
   を備え、
   前記エアコンプレッサは、
   前記モータのモータ駆動軸と接続され、第１のロータを回転駆動する主回転軸と、
   前記主回転軸から動力を伝達されて第２のロータを回転駆動する従回転軸と、
   前記第１のロータと前記第２のロータを収納するポンプ室と、
   を備え、
   前記インタークーラは、前記ポンプ室の外周上の位置であって、前記主回転軸に対して前記従回転軸と反対側の位置に設置されていることを特徴とする、気体圧縮モジュール。

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