JP2008171718A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】全体の構成を小型化しつつ、圧縮機および水素ポンプを個別にきめ細かく制御し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池システム1において、一体型の流体流通装置300は、圧縮機100と、水素ポンプ200と、クラッチ302と、磁気カップリング機構304とを含む。燃料電池システム1の起動時にはクラッチ302が接続され、圧縮機駆動軸122の回転がポンプ駆動軸208に伝達される。燃料電池システム1が起動された後、クラッチ302の接続が切断され、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とは独立して回転可能となる。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池システム1において、一体型の流体流通装置300は、圧縮機100と、水素ポンプ200と、クラッチ302と、磁気カップリング機構304とを含む。燃料電池システム1の起動時にはクラッチ302が接続され、圧縮機駆動軸122の回転がポンプ駆動軸208に伝達される。燃料電池システム1が起動された後、クラッチ302の接続が切断され、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とは独立して回転可能となる。
【選択図】図2
Description
この発明は、燃料電池システムに係る。
酸素と水素とを反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池に酸素を供給する回路に空気を圧縮する圧縮機を備え、水素を供給する回路に水素を循環させる水素ポンプを備えたものが知られている。
一般的に、燃料電池システムにおいては、発電の過程で水が発生するため、水素の循環回路にも水分が含まれることになる。このため、外気が低温となった状態で燃料電池システムが停止すると、水素ポンプ内に水分が結露し、そのまま凍結する場合がある。このような凍結により水素ポンプ内に氷が付着すると、水素ポンプの起動時に氷の固着力により回転体(ロータ等)の回転が阻害されるため、起動トルクが大きくなる。
この凍結時の起動トルクは、運転中に要求されるトルクよりも大きい場合がある。起動トルクが大きくなると、運転中に要求されるだけのトルクを発生するモータよりも、体格の大きいモータを使用する必要がある。これによって、全体の構成が大型化する。
この凍結時の起動トルクは、運転中に要求されるトルクよりも大きい場合がある。起動トルクが大きくなると、運転中に要求されるだけのトルクを発生するモータよりも、体格の大きいモータを使用する必要がある。これによって、全体の構成が大型化する。
このような大型化を回避するための構成の例は、特許文献1に開示される。特許文献1に記載されるルーツ式圧縮機は、起動時に正転指示と逆転指示とを繰り返し発することで、比較的小さいトルクでロータの凍結を破壊し得るように構成されている。
また、燃料電池システムにおいては、水素ポンプにはモータを設けず、空気を圧縮する圧縮機のモータによって駆動されるように、一体型の構成することも考えられる。圧縮機のモータは、圧縮を必要としない水素ポンプのモータに比して使用領域が広く、水素ポンプの凍結を破壊して起動するために必要なトルク以上のトルクを出力することが可能である。
また、燃料電池システムにおいては、水素ポンプにはモータを設けず、空気を圧縮する圧縮機のモータによって駆動されるように、一体型の構成することも考えられる。圧縮機のモータは、圧縮を必要としない水素ポンプのモータに比して使用領域が広く、水素ポンプの凍結を破壊して起動するために必要なトルク以上のトルクを出力することが可能である。
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、構成の小型化に限度があるという問題と、圧縮機と水素ポンプとを個別に運転させる点においてきめ細かな制御ができないという問題があった。
たとえば、特許文献1の構成のように正逆転の指示を繰り返す場合であっても、水素ポンプの凍結を破壊するためには通常運転時よりもある程度大きいトルクが必要となるので、モータがある程度大型化することは免れない。
また、水素ポンプにはモータを設けず、圧縮機と一体型の構成とする場合は、トルクの使用領域が広いため、常に水素ポンプの通常運転に必要なものより大きなトルクが供給され、使用しない領域が無駄になる。また、水素ポンプに合わせた制御ができない。このように、圧縮機と水素ポンプとを個別に運転させる点においてきめ細かな制御ができない。
たとえば、特許文献1の構成のように正逆転の指示を繰り返す場合であっても、水素ポンプの凍結を破壊するためには通常運転時よりもある程度大きいトルクが必要となるので、モータがある程度大型化することは免れない。
また、水素ポンプにはモータを設けず、圧縮機と一体型の構成とする場合は、トルクの使用領域が広いため、常に水素ポンプの通常運転に必要なものより大きなトルクが供給され、使用しない領域が無駄になる。また、水素ポンプに合わせた制御ができない。このように、圧縮機と水素ポンプとを個別に運転させる点においてきめ細かな制御ができない。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、全体の構成を小型化しつつ、圧縮機および水素ポンプを個別にきめ細かく制御し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述の問題点を解決するため、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に空気と水素とを供給して発電する、燃料電池システムであって、空気を圧縮して燃料電池に供給する圧縮機であって、圧縮機を駆動する圧縮機モータと、圧縮機モータの動力を伝達する圧縮機駆動軸を備える、圧縮機と、水素を燃料電池に供給する水素ポンプであって、水素ポンプを駆動するポンプモータと、ポンプモータの動力を伝達するポンプ駆動軸とを備える、水素ポンプとを備える、燃料電池システムにおいて、圧縮機駆動軸とポンプ駆動軸とを断接可能に連結する断接手段と、圧縮機駆動軸とポンプ駆動軸との間をシールする磁気カップリング機構とをさらに備え、断接手段は、燃料電池システムの起動時には圧縮機駆動軸とポンプ駆動軸とを接続するとともに、燃料電池システムが起動された後には圧縮機駆動軸とポンプ駆動軸とを切断することを特徴とする。
燃料電池システムの起動時には、断接手段が接続され、圧縮機駆動軸の回転がポンプ駆動軸に伝達される状態となる。この状態では水素ポンプは圧縮機モータによって駆動されるので、圧縮機モータが発生する大きなトルクを受ける。
燃料電池システムが起動された後で、断接手段が切断され、ポンプ駆動軸は圧縮機駆動軸と独立して回転する状態となる。この状態では水素ポンプは圧縮機モータでなくポンプモータによって駆動されるので、圧縮機の回転数制御とは独立した回転数制御が可能となる。
このように、本件発明では、起動時には圧縮機モータで水素ポンプを駆動し、起動後はポンプモータで水素ポンプを運転することで、水素ポンプの大型化を回避して全体の構成を小型化しつつ、きめ細かい制御を可能とする燃料電池システムを提供する。
燃料電池システムが起動された後で、断接手段が切断され、ポンプ駆動軸は圧縮機駆動軸と独立して回転する状態となる。この状態では水素ポンプは圧縮機モータでなくポンプモータによって駆動されるので、圧縮機の回転数制御とは独立した回転数制御が可能となる。
このように、本件発明では、起動時には圧縮機モータで水素ポンプを駆動し、起動後はポンプモータで水素ポンプを運転することで、水素ポンプの大型化を回避して全体の構成を小型化しつつ、きめ細かい制御を可能とする燃料電池システムを提供する。
燃料電池システムは、圧縮機の吸入圧および吐出圧の差、圧縮機モータの戻り電力、ポンプモータの戻り電力、およびポンプ駆動軸に発生するトルクのいずれかまたは複数に基づいて、燃料電池システムが起動されたと判断してもよい。
このようにすることで、燃料電池システムの起動をより的確に判断することができる。
このようにすることで、燃料電池システムの起動をより的確に判断することができる。
この発明によれば、圧縮機のモータと水素ポンプの駆動軸とがクラッチおよび磁気カップリング機構を介して連結され、起動時のみ水素ポンプが圧縮機のモータによって駆動されるので、水素ポンプのモータを小型化することができ、かつ、圧縮機および水素ポンプを個別にきめ細かく制御することができる。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1は、燃料電池10を含む燃料電池システム1の回路構成を示す。燃料電池システム1は、発電を行う燃料電池10と、空気を外部から吸入して圧縮するエアコンプレッサである圧縮機100と、圧縮機100で圧縮された空気を加湿して燃料電池10に供給する加湿器20と、水素ガスを循環させるとともに燃料電池10に供給する水素ポンプ200と、水素を貯留する水素タンク30とを含む。
なお、図1は燃料電池システム1の回路構成に着目した図であり、実際の各構成要素の配置を示す図ではない。
実施の形態1.
図1は、燃料電池10を含む燃料電池システム1の回路構成を示す。燃料電池システム1は、発電を行う燃料電池10と、空気を外部から吸入して圧縮するエアコンプレッサである圧縮機100と、圧縮機100で圧縮された空気を加湿して燃料電池10に供給する加湿器20と、水素ガスを循環させるとともに燃料電池10に供給する水素ポンプ200と、水素を貯留する水素タンク30とを含む。
なお、図1は燃料電池システム1の回路構成に着目した図であり、実際の各構成要素の配置を示す図ではない。
圧縮機100の吐出口100bと加湿器20の吸入口20aとは配管41によって連結され、加湿器20の吐出口20bと燃料電池10の空気吸入口10aとは配管42によって連結される。また、水素タンク30と燃料電池10の水素吸入口10bとは配管43によって連結される。燃料電池10は、圧縮機100から供給される空気に含まれる酸素と、水素タンク30および水素ポンプ200から供給される水素とを反応させて発電を行う。燃料電池10は、公知の燃料電池、たとえば固体高分子型の燃料電池である。
燃料電池10の水素排出口10cと水素ポンプ200の吸入口200aとは配管44によって連結され、水素ポンプ200の吐出口200bと配管43とは配管45によって連結される。水素ポンプ200は、燃料電池10に供給された水素ガスのうち使用されなかったものを配管43へと圧送し、循環させて再度燃料電池10に供給する。
なお、配管43において、配管45が連結する部分よりも上流には、レギュレータ(図示せず)が設けられる。
なお、配管43において、配管45が連結する部分よりも上流には、レギュレータ(図示せず)が設けられる。
図2は、本実施の形態に係る一体型の流体流通装置300の構成を示す。流体流通装置300は、図1の圧縮機100および水素ポンプ200を含み、さらに、これらを連結するクラッチ302および磁気カップリング機構304を含む。圧縮機100および水素ポンプ200は、それぞれモータを備える電動式のものであるが、モータに関連する構成の詳細は後述する。
圧縮機100は、スクロール型圧縮機であり、圧縮機構部100c、クランク機構部100d、および駆動モータ部100eからなる。
圧縮機構部100cは、固定スクロール111と、旋回スクロール112とを含む。固定スクロール111および旋回スクロール112は、圧縮室113を形成する。固定スクロール111は、円盤状の固定基盤111aと、固定スクロールハウジング111bと、固定基盤111aから垂直に延びる渦巻状の固定ラップ111cとを含む。
固定スクロールハウジング111bには、圧縮室113内に空気を吸入するための吸入口100aが設けられている。また、固定基盤111aの中央には、圧縮された空気を吐出する吐出口100bが設けられている。
圧縮機構部100cは、固定スクロール111と、旋回スクロール112とを含む。固定スクロール111および旋回スクロール112は、圧縮室113を形成する。固定スクロール111は、円盤状の固定基盤111aと、固定スクロールハウジング111bと、固定基盤111aから垂直に延びる渦巻状の固定ラップ111cとを含む。
固定スクロールハウジング111bには、圧縮室113内に空気を吸入するための吸入口100aが設けられている。また、固定基盤111aの中央には、圧縮された空気を吐出する吐出口100bが設けられている。
旋回スクロール112は、円盤状の旋回基盤112aと、この旋回基盤112aから、固定基盤111aに向けて垂直に延びる渦巻状の旋回ラップ112bとを含む。旋回基盤112aにおいて、固定基盤111aと反対側の中央近傍に、ころ軸受117を保持する有底円筒状のくぼみである主保持部112cが設けられる。また、旋回基盤112aにおいて、固定基盤111aと反対側に、ラジアルボールベアリング118を支持するための、有底円筒状のくぼみである従保持部112dが設けられる。旋回基盤112aは複数の従保持部112dを備えるが、図2には一つの従保持部112dのみ示す。
圧縮機100のクランク機構部100dは、旋回スクロール112に旋回運動(公転運動)を行わせるための駆動クランク機構119と、旋回スクロール112の自転運動を防止するための従動クランク機構120と、これらを収納する空間であるクランク室121とを含む。
圧縮機100は、駆動クランク機構119に動力を伝達する圧縮機駆動軸122を備え、圧縮機駆動軸122は、その一端に、ころ軸受117を介して旋回スクロール112を支持しつつ駆動するクランクピン122aを含む。駆動クランク機構119は、主保持部112cと、クランクピン122aと、ころ軸受117とによって構成される。
圧縮機100は、駆動クランク機構119に動力を伝達する圧縮機駆動軸122を備え、圧縮機駆動軸122は、その一端に、ころ軸受117を介して旋回スクロール112を支持しつつ駆動するクランクピン122aを含む。駆動クランク機構119は、主保持部112cと、クランクピン122aと、ころ軸受117とによって構成される。
圧縮機100のクランク機構部100dは圧縮機従動軸123を備え、圧縮機従動軸123は、その一端に、ラジアルボールベアリング118を介して旋回スクロール112を支持するクランクピン123aを含む。従動クランク機構120は、従保持部112dと、クランクピン123aと、ラジアルボールベアリング118とにより構成される。
圧縮機従動軸123の他端は、複列のボールベアリング123cにより支持されている。
圧縮機従動軸123の他端は、複列のボールベアリング123cにより支持されている。
また、旋回スクロール112が旋回すると慣性モーメントが発生するが、この慣性モーメントを打ち消すために、圧縮機駆動軸122にはバランスウエイト122bおよび122cが、圧縮機従動軸123にはバランスウエイト123bが、それぞれ設けられている。これらのバランスウエイトによって振動が低減される。
駆動モータ部100eは、センターハウジング124と、このセンターハウジング124にボルトによって固定されたリヤハウジング125とを備える。これらのハウジングは、フロントハウジングである固定スクロール111とともに圧縮機100の外殻を構成するものであり、圧縮機100の軽量化を図るためにアルミ系金属材料から形成されている。
センターハウジング124およびリヤハウジング125の間には、空間である圧縮機モータ室127が形成される。圧縮機モータ室127には、圧縮機駆動軸122を駆動する三相同期モータである圧縮機モータ126が配置される。圧縮機モータ126の中央には、圧縮機駆動軸122が貫通している。
圧縮機モータ126は、圧縮機駆動軸122に嵌入されたロータ128と、ロータ128の外側に設けられたステータ130と、ステータ130に巻かれたコイル129とを備える。なお、圧縮機モータ126は、図示しないインバータ等により回転数等が制御され得る。このインバータは、圧縮機モータ126からの戻り電力としての電流値を検出する戻り電力検出装置としても機能するものである。
圧縮機駆動軸122の圧縮機構部100c側はボールベアリング122eを介してセンターハウジング124に支持され、反対側すなわち駆動モータ部100e側はボールベアリング122fを介してリヤハウジング125に支持される。
圧縮機モータ126は、圧縮機駆動軸122に嵌入されたロータ128と、ロータ128の外側に設けられたステータ130と、ステータ130に巻かれたコイル129とを備える。なお、圧縮機モータ126は、図示しないインバータ等により回転数等が制御され得る。このインバータは、圧縮機モータ126からの戻り電力としての電流値を検出する戻り電力検出装置としても機能するものである。
圧縮機駆動軸122の圧縮機構部100c側はボールベアリング122eを介してセンターハウジング124に支持され、反対側すなわち駆動モータ部100e側はボールベアリング122fを介してリヤハウジング125に支持される。
センターハウジング124の外周の一部には、ステータ130の近傍にウォータジャケット131が設けられている。ウォータジャケット131には冷却水が流通し、圧縮機モータ126を冷却する。
センターハウジング124は、駆動モータ部100eおよびクランク機構部100dを収容する。センターハウジング124の略中央には、上述のようにボールベアリング122eを介して圧縮機駆動軸122を支持する支持フレーム132が一体成形されており、支持フレーム132は、その両側にクランク機構部100dと駆動モータ部100eとを画定し、これらを互いに隔絶する。
また、図示しないが、圧縮機100は、その吸入圧領域、たとえば吸入口100a近傍に、吸入される空気の圧力を検出する吸入圧センサを備える。さらに、圧縮機100は、その吐出圧領域、たとえば吐出口100b近傍に、空気の圧力を検出する吐出圧センサを備える。
水素ポンプ200は、ルーツ式ポンプであり、駆動モータ部200c、ポンプ機構部200d、およびギヤ機構部200eからなる。
圧縮機100および水素ポンプ200は、圧縮機100側から水素ポンプ200側に向かって、圧縮機100の圧縮機構部100c、圧縮機100のクランク機構部100d、圧縮機100の駆動モータ部100e、水素ポンプ200の駆動モータ部200c、水素ポンプ200のポンプ機構部200d、水素ポンプ200のギヤ機構部200eとなるように配置される。
圧縮機100および水素ポンプ200は、圧縮機100側から水素ポンプ200側に向かって、圧縮機100の圧縮機構部100c、圧縮機100のクランク機構部100d、圧縮機100の駆動モータ部100e、水素ポンプ200の駆動モータ部200c、水素ポンプ200のポンプ機構部200d、水素ポンプ200のギヤ機構部200eとなるように配置される。
駆動モータ部200cはモータハウジング202を備え、このモータハウジング202は圧縮機100のリヤハウジング125に隣接して配置される。モータハウジング202はその内側にポンプモータ室203を形成する。ポンプモータ室203の圧縮機100側は支持フレーム204によって覆われ、その反対側すなわちポンプ機構部200d側はポンプハウジング206によって覆われる。
水素ポンプ200は、ポンプ機構部200dおよびギヤ機構部200eに動力を伝達するポンプ駆動軸208を備え、ポンプモータ室203には、ポンプ駆動軸208を駆動する三相同期モータであるポンプモータ212が配置される。ポンプモータ212の中央には、ポンプ駆動軸208が貫通している。ポンプ駆動軸208には図示しないトルクセンサが取り付けられ、ポンプ駆動軸208に発生するトルクを検出する。
ポンプモータ212は、ポンプ駆動軸208に嵌入されたロータ214と、ロータ214の外側に設けられたステータ216と、ステータ216に巻かれたコイル218とを備える。なお、ポンプモータ212は、図示しないインバータ等により回転数等が制御され得る。このインバータは、ポンプモータ212からの戻り電力を検出する戻り電力検出装置としても機能するものである。また、ポンプモータ212の回転数と、圧縮機モータ126の回転数とは、独立して制御可能である。
なお、図示されるように、ポンプモータ212の体格すなわちサイズは、圧縮機モータ126のサイズよりも小さい。これは、燃料電池システム1において、水素の循環に要求されるトルクが、空気の圧縮に要求されるトルクよりも小さいからである。
ポンプモータ212は、ポンプ駆動軸208に嵌入されたロータ214と、ロータ214の外側に設けられたステータ216と、ステータ216に巻かれたコイル218とを備える。なお、ポンプモータ212は、図示しないインバータ等により回転数等が制御され得る。このインバータは、ポンプモータ212からの戻り電力を検出する戻り電力検出装置としても機能するものである。また、ポンプモータ212の回転数と、圧縮機モータ126の回転数とは、独立して制御可能である。
なお、図示されるように、ポンプモータ212の体格すなわちサイズは、圧縮機モータ126のサイズよりも小さい。これは、燃料電池システム1において、水素の循環に要求されるトルクが、空気の圧縮に要求されるトルクよりも小さいからである。
ポンプ機構部200dは上述のポンプハウジング206を備え、ポンプハウジング206の内側にポンプ室207が形成される。ポンプモータ室203とポンプ室207とは、ポンプハウジング206に一体成形された支持フレーム220によって隔絶される。
ギヤ機構部200eはギヤハウジング222を備え、ギヤハウジング222の内側にギヤ室209が形成される。また、ギヤ機構部200eは、ポンプハウジング206とギヤハウジング222との間に配置される支持フレーム224を備え、この支持フレーム224がポンプ室207とギヤ室209とを隔絶する。ポンプハウジング206、支持フレーム224、およびギヤハウジング222は、ネジ226によって共締め固定される。
ギヤ機構部200eはギヤハウジング222を備え、ギヤハウジング222の内側にギヤ室209が形成される。また、ギヤ機構部200eは、ポンプハウジング206とギヤハウジング222との間に配置される支持フレーム224を備え、この支持フレーム224がポンプ室207とギヤ室209とを隔絶する。ポンプハウジング206、支持フレーム224、およびギヤハウジング222は、ネジ226によって共締め固定される。
ポンプ機構部200dおよびギヤ機構部200eにわたって、ポンプ従動軸210がポンプ駆動軸208と平行に設けられる。ポンプ駆動軸208およびポンプ従動軸210は、それぞれ、駆動モータ部200c側においてボールベアリングを介して支持フレーム220によって支持され、また、反対側すなわちギヤ機構部200e側においてボールベアリングを介して支持フレーム224によって支持される。
ポンプ室207の内部において、ポンプ駆動軸208には、双葉状のルーツ駆動ロータ230が固定され、ポンプ駆動軸208と一体に回転する。また、ポンプ従動軸210には、双葉状のルーツ従動ロータ232が固定され、ポンプ従動軸210と一体に回転する。ルーツ駆動ロータ230およびルーツ従動ロータ232は、互いに噛合して配置される。
また、図2には示されないが、ポンプ室207には、水素を内部に吸入する吸入口200a(図1参照)と、水素を外部に吐出する吐出口200b(図1参照)とが設けられており、ルーツ駆動ロータ230およびルーツ従動ロータ232が互いに噛合しつつ回転すると、水素が吸入口200aからポンプ室207を経由して吐出口200bへと圧送されるように構成されている。
また、図2には示されないが、ポンプ室207には、水素を内部に吸入する吸入口200a(図1参照)と、水素を外部に吐出する吐出口200b(図1参照)とが設けられており、ルーツ駆動ロータ230およびルーツ従動ロータ232が互いに噛合しつつ回転すると、水素が吸入口200aからポンプ室207を経由して吐出口200bへと圧送されるように構成されている。
ギヤ室209の内部において、ポンプ駆動軸208およびポンプ従動軸210の端部には、それぞれ駆動ギヤ234および従動ギヤ236が取り付けられる。駆動ギヤ234および従動ギヤ236は互いに噛合して配置され、駆動ギヤ234が回転するとこれに駆動されて従動ギヤ236が逆方向に回転するようになっている。
上述の圧縮機駆動軸122およびポンプ駆動軸208は同軸に配置される。また、圧縮機駆動軸122は、断接手段であるクラッチ302の状態に応じて、磁気カップリング機構304を介してポンプ駆動軸208に動力を伝達し、あるいは伝達しないようになっている。
クラッチ302は、圧縮機側ディスク302aおよびポンプ側ディスク302bを備える。磁気カップリング機構304は、外側磁気ロータ304aと、内側磁気ロータ304bと、支持部材304cと、閉じ込めシュラウド304dとを備える。
クラッチ302は、圧縮機側ディスク302aおよびポンプ側ディスク302bを備える。磁気カップリング機構304は、外側磁気ロータ304aと、内側磁気ロータ304bと、支持部材304cと、閉じ込めシュラウド304dとを備える。
クラッチ302の圧縮機側ディスク302aは、圧縮機駆動軸122に固定されており、これと一体に回転する。また、ポンプ側ディスク302bは、外側磁気ロータ304aに固定されており、これと一体に回転する。圧縮機側ディスク302aおよびポンプ側ディスク302bは、図示しない制御機構によって互いに押し付けられ、また引き離される。互いに押し付けられた状態では、これらは摩擦によって一体に回転し、また、引き離された状態では、摩擦が発生しないので互いの回転は独立したものとなる。
このように、クラッチ302は、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とを断接可能に連結し、圧縮機駆動軸122の回転を、断接可能に外側磁気ロータ304aに伝達する。
このように、クラッチ302は、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とを断接可能に連結し、圧縮機駆動軸122の回転を、断接可能に外側磁気ロータ304aに伝達する。
磁気カップリング機構304の外側磁気ロータ304aおよび内側磁気ロータ304bには、それぞれの周方向において対向する位置に逆極性の永久磁石が取り付けられ、その吸引力によって一体に回転するようになっている。また、内側磁気ロータ304bは支持部材304cを一部介してポンプ駆動軸208の一端に固定され、これと一体に回転する。すなわち、外側磁気ロータ304a、内側磁気ロータ304b、支持部材304c、およびポンプ駆動軸208は一体に回転する。
閉じ込めシュラウド304dは、外側磁気ロータ304aと内側磁気ロータ304bとの間に設けられ、これらの間の流体の漏洩をシールする。これによって、圧縮機モータ室127と、ポンプモータ室203とが隔絶される。これによって、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208との間がシールされる。
閉じ込めシュラウド304dは、外側磁気ロータ304aと内側磁気ロータ304bとの間に設けられ、これらの間の流体の漏洩をシールする。これによって、圧縮機モータ室127と、ポンプモータ室203とが隔絶される。これによって、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208との間がシールされる。
以上のように、磁気カップリング機構304は、圧縮機モータ室127とポンプモータ室203とを隔絶しつつ、クラッチ302とポンプ駆動軸208との間の動力の伝達を行う。
以上のように構成される流体流通装置300の作用を、以下に説明する。
燃料電池システム1が停止している状態では、圧縮機モータ126およびポンプモータ212は停止しており、空気の圧縮および水素の循環は行われない。
燃料電池システム1の起動時、すなわち停止状態から運転状態に移行する際には、まず図示しない制御機構がクラッチ302を接続する。この接続は、起動時でなく起動前になされてもよい。クラッチ302が接続されることにより、圧縮機駆動軸122の回転がポンプ駆動軸208に伝達される状態となる。
燃料電池システム1が停止している状態では、圧縮機モータ126およびポンプモータ212は停止しており、空気の圧縮および水素の循環は行われない。
燃料電池システム1の起動時、すなわち停止状態から運転状態に移行する際には、まず図示しない制御機構がクラッチ302を接続する。この接続は、起動時でなく起動前になされてもよい。クラッチ302が接続されることにより、圧縮機駆動軸122の回転がポンプ駆動軸208に伝達される状態となる。
次に、圧縮機モータ126が図示しないバッテリから電力を供給され、回転を開始する。これによって圧縮機駆動軸122およびポンプ駆動軸208も回転し、圧縮機100および水素ポンプ200が運転を開始する。
ここで、上述のように圧縮機モータ126はポンプモータ212よりも大きく、発生し得るトルクも大きい。このため、水素ポンプ200は、ポンプモータ212によって駆動される場合よりも大きいトルクを得ることができる。すなわち、停止中に水素ポンプ200内部で水分が凍結し、起動に必要とされるトルクが大きくなってポンプモータ212の最大トルクを超えていた場合であっても、圧縮機モータ126の最大トルクを超えない範囲であれば、凍結を破壊して水素ポンプ200を起動することができる。ここで、圧縮機モータ126が発生するトルクは、水素ポンプ200の凍結を破壊して起動するのに十分であるように設計される。
ここで、上述のように圧縮機モータ126はポンプモータ212よりも大きく、発生し得るトルクも大きい。このため、水素ポンプ200は、ポンプモータ212によって駆動される場合よりも大きいトルクを得ることができる。すなわち、停止中に水素ポンプ200内部で水分が凍結し、起動に必要とされるトルクが大きくなってポンプモータ212の最大トルクを超えていた場合であっても、圧縮機モータ126の最大トルクを超えない範囲であれば、凍結を破壊して水素ポンプ200を起動することができる。ここで、圧縮機モータ126が発生するトルクは、水素ポンプ200の凍結を破壊して起動するのに十分であるように設計される。
燃料電池システム1が起動された後、すなわち圧縮機100および水素ポンプ200の起動が完了して運転を開始した時点で、図示しない制御機構がクラッチ302の接続を切断する。
ここで、燃料電池システム1の起動が完了したという判断は、たとえば図示しない制御装置によってなされる。この判断は、圧縮機100の吸入圧センサによって検出される吸入圧と、吐出圧センサによって検出される吐出圧との差が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされる。また、この判断は、圧縮機モータ126のインバータによって検出される戻り電力が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、ポンプモータ212のインバータによって検出される戻り電力が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、ポンプ駆動軸208のトルクセンサによって検出されるトルクが所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、他の公知の手段および方法に基づいてなされてもよい。
ここで、燃料電池システム1の起動が完了したという判断は、たとえば図示しない制御装置によってなされる。この判断は、圧縮機100の吸入圧センサによって検出される吸入圧と、吐出圧センサによって検出される吐出圧との差が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされる。また、この判断は、圧縮機モータ126のインバータによって検出される戻り電力が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、ポンプモータ212のインバータによって検出される戻り電力が所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、ポンプ駆動軸208のトルクセンサによって検出されるトルクが所定の値または所定の範囲内となることに基づいてなされてもよく、他の公知の手段および方法に基づいてなされてもよい。
圧縮機100は、吸入口100aから吸入した空気を、圧縮室113において圧縮し、吐出口100bから吐出して燃料電池10に供給する。また、水素ポンプ200は、吸入口200aから吸入した水素ガスを、ポンプ室207を経由して吐出口200bへと圧送する。燃料電池10は供給される空気および水素を用いて発電を行い、これによって燃料電池システム1は外部に電力を供給する。
クラッチ302の接続が切断されると、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とは独立して回転可能となるので、圧縮機100と水素ポンプ200とはそれぞれのインバータに制御されてそれぞれの回転数で運転され得る。
ここで、水素ポンプ200の起動後の運転に要求されるトルクは、上述のように起動時に凍結を破壊するために要求されるトルクに比べてはるかに小さく、圧縮機モータ126よりも小さいポンプモータ212であっても十分発生し得るものとなる。
なお、圧縮機100と水素ポンプ200との間は磁気カップリング機構304によってシールされているので、上述のように互いに動力を伝達しつつ、流体の漏洩、とくに圧縮機100側への水素の漏洩を防止することができる。
ここで、水素ポンプ200の起動後の運転に要求されるトルクは、上述のように起動時に凍結を破壊するために要求されるトルクに比べてはるかに小さく、圧縮機モータ126よりも小さいポンプモータ212であっても十分発生し得るものとなる。
なお、圧縮機100と水素ポンプ200との間は磁気カップリング機構304によってシールされているので、上述のように互いに動力を伝達しつつ、流体の漏洩、とくに圧縮機100側への水素の漏洩を防止することができる。
このように、本実施の形態に係る流体流通装置300によれば、圧縮機駆動軸122とポンプ駆動軸208とをクラッチ302および磁気カップリング機構304を介して接続しつつ、圧縮機100と水素ポンプ200とを一体型とするので、全体の構造を小型化し、スペースの使用効率を向上させることができる。
また、従来の構成において、単一のモータで圧縮機および水素ポンプの両方を駆動するようなものがあるが、このような構成では、圧縮機のトルクの使用領域が広いため、常に水素ポンプの通常運転に必要なものより大きなトルクが供給され、使用しない領域が無駄になる。また、水素ポンプに合わせた制御ができない。
これと比較した場合、本実施の形態に係る流体流通装置300は、圧縮機100および水素ポンプ200のそれぞれを駆動する圧縮機モータ126およびポンプモータ212を備えるので、水素ポンプ200にはその通常運転に必要とされるだけのトルクを供給して無駄をなくしつつ、全体の構造を小型化することができる。さらに、流体流通装置300は、圧縮機モータ126およびポンプモータ212のそれぞれを独立に制御するインバータを備えるので、水素ポンプ200に合わせた制御を行うことができる。
このように、流体流通装置300は、圧縮機100および水素ポンプ200それぞれのきめ細かい制御を行うことができる。
これと比較した場合、本実施の形態に係る流体流通装置300は、圧縮機100および水素ポンプ200のそれぞれを駆動する圧縮機モータ126およびポンプモータ212を備えるので、水素ポンプ200にはその通常運転に必要とされるだけのトルクを供給して無駄をなくしつつ、全体の構造を小型化することができる。さらに、流体流通装置300は、圧縮機モータ126およびポンプモータ212のそれぞれを独立に制御するインバータを備えるので、水素ポンプ200に合わせた制御を行うことができる。
このように、流体流通装置300は、圧縮機100および水素ポンプ200それぞれのきめ細かい制御を行うことができる。
上述の実施の形態において、クラッチ302は圧縮機駆動軸122と磁気カップリング機構304との間に配置されるが、これは磁気カップリング機構304とポンプ駆動軸208との間に配置されるものであってもよい。
上述の実施の形態1における圧縮機100は、リヤハウジング125および圧縮機駆動軸122のリヤハウジング125側端部を除き、他の公知のスクロール型圧縮機と同様の構成を有してもよい。また、スクロール型でなく他の形式のものであってもよい。
また、実施の形態1における水素ポンプ200は、支持フレーム204およびポンプ駆動軸208の支持フレーム204側端部を除き、他の公知のルーツ式ポンプと同様の構成を有してもよい。また、ルーツ式でなく他の形式であってもよい。
さらに、実施の形態1におけるクラッチ302の構成は、圧縮機駆動軸122の回転を磁気カップリング機構304に断接可能に伝達するものであれば、他の公知のクラッチと同様であってもよい。
また、実施の形態1における水素ポンプ200は、支持フレーム204およびポンプ駆動軸208の支持フレーム204側端部を除き、他の公知のルーツ式ポンプと同様の構成を有してもよい。また、ルーツ式でなく他の形式であってもよい。
さらに、実施の形態1におけるクラッチ302の構成は、圧縮機駆動軸122の回転を磁気カップリング機構304に断接可能に伝達するものであれば、他の公知のクラッチと同様であってもよい。
1 燃料電池システム、10 燃料電池、100 圧縮機、126 圧縮機モータ、122 圧縮機駆動軸、200 水素ポンプ、212 ポンプモータ、208 ポンプ駆動軸、302 クラッチ(断接手段)、304 磁気カップリング機構。
Claims (2)
- 燃料電池に空気と水素とを供給して発電する、燃料電池システムであって、
前記空気を圧縮して前記燃料電池に供給する圧縮機であって、前記圧縮機を駆動する圧縮機モータと、前記圧縮機モータの動力を伝達する圧縮機駆動軸を備える、圧縮機と、
前記水素を前記燃料電池に供給する水素ポンプであって、前記水素ポンプを駆動するポンプモータと、前記ポンプモータの動力を伝達するポンプ駆動軸とを備える、水素ポンプと
を備える、燃料電池システムにおいて、
前記圧縮機駆動軸と前記ポンプ駆動軸とを断接可能に連結する断接手段と、
前記圧縮機駆動軸と前記ポンプ駆動軸との間をシールする磁気カップリング機構と
をさらに備え、
前記断接手段は、前記燃料電池システムの起動時には前記圧縮機駆動軸と前記ポンプ駆動軸とを接続するとともに、前記燃料電池システムが起動された後には前記圧縮機駆動軸と前記ポンプ駆動軸とを切断する
ことを特徴とする、燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムは、
前記圧縮機の吸入圧および吐出圧の差、
前記圧縮機モータの戻り電力、
前記ポンプモータの戻り電力、および
前記ポンプ駆動軸に発生するトルク
のいずれかまたは複数に基づいて、前記燃料電池システムが起動されたと判断する
ことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007004568A JP2008171718A (ja) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007004568A JP2008171718A (ja) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008171718A true JP2008171718A (ja) | 2008-07-24 |
Family
ID=39699607
Family Applications (1)
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JP2007004568A Pending JP2008171718A (ja) | 2007-01-12 | 2007-01-12 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2008171718A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018185961A1 (ja) * | 2017-04-03 | 2018-10-11 | 株式会社Ihi | ロケット燃料用ポンプ |
-
2007
- 2007-01-12 JP JP2007004568A patent/JP2008171718A/ja active Pending
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WO2018185961A1 (ja) * | 2017-04-03 | 2018-10-11 | 株式会社Ihi | ロケット燃料用ポンプ |
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