JP2008280904A

JP2008280904A - 燃料電池用圧縮機

Info

Publication number: JP2008280904A
Application number: JP2007125247A
Authority: JP
Inventors: Manabu Taniguchi; 学谷口; Hirotomo Kamiyama; 拓知上山; Hirotoyo Miyagawa; 裕豊宮川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】遠心圧縮機を使用することで小型化を図るとともに、圧縮空気の汚染を防止することができる燃料電池用圧縮機を提供する。
【解決手段】インペラ支持板26の小径部27の後面（インペラ12の背面に対向する面）27aには、スパイラル溝29が形成されている。スパイラル溝29は、径方向内方へ圧力を発生するように半径方向に対して傾斜した４本の略直線状溝29aからなる。
【選択図】図３

Description

この発明は、水素および酸素からエネルギーを生成する燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機に関し、特に、燃料電池車への搭載に適した燃料電池用圧縮機に関する。

燃料電池を搭載して走行する燃料電池車は、そのプロトタイプが既に製造されており、特許文献１には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するための圧縮機に適するものとして、スクロール型圧縮機を備えたものが提案されている。

また、圧縮機として、スクロール型以外に、一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸を備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮するタービンコンプレッサなどと称される遠心圧縮機も知られている（特許文献２）。
特開２００２−７０７６２号公報特開平７−９１７６０号公報

燃料電池車で使用される燃料電池装置においては、その小型化、コスト低減および軽量化などが重要な課題となっており、圧縮機に対しても、より一層の小型化が求められている。そこで、容積形圧縮機の１種である上記特許文献１のスクロール型圧縮機に代えて、圧縮変動がなくかつ小型化が可能な非容積形の遠心圧縮機を使用することが考えられる。

一方、燃料電池車で使用される燃料電池装置において、燃料電池に供給される圧縮空気は、清浄であることが要求され、回転軸を支持する軸受装置として、転がり軸受を使用する場合、潤滑剤が必要となるので、この潤滑剤が蒸発して圧縮空気に混入することで、燃料電池スタックが汚染され、発電能力が低下することが懸念される。

この発明の目的は、上記実情に鑑み、遠心圧縮機を使用することで小型化を図るとともに、圧縮空気の汚染を防止することができる燃料電池用圧縮機を提供することにある。

この発明による燃料電池用圧縮機は、回転軸を支持する回転軸支持部およびインペラが配置されている気体流通部を有するケーシングと、一端にインペラを有しケーシングの回転軸支持部の内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、インペラの背面およびこれに対向するケーシングの面の少なくとも一方に、インペラの回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝が形成されていることを特徴とするものである。

スパイラル溝の形状は、径方向に対して傾斜した直線状とされることがあり、また、径方向に対して傾斜しかつ湾曲状とされてもよい。

スパイラル溝は、インペラの背面だけに設けられてもよく、インペラの背面に対向するケーシングの面だけに設けられてもよく、好ましくは、両方に設けられる。また、インペラに形成されている円筒面およびこれに対向するケーシングの円筒面の少なくとも一方にも、スパイラル溝が形成されていることがより好ましい。

遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラにアキシアル方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであり、その回転方向は常に一定である。したがって、インペラ背面およびその対向面に、インペラの回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝を形成することで、インペラ背面部分にシール機構が形成され、回転軸支持部から気体流通部への気体の流れが抑制される。

軸受装置は、例えば、１対の転がり軸受からなるものとされる。転がり軸受を使用する場合には、その潤滑剤が必要となり、蒸発した潤滑剤が燃料電池側に移行して発電能力の低下の原因となることが懸念されるが、インペラの回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝によって、ケーシングの回転軸支持部内の雰囲気が気体流通部内に移行することが防止され、潤滑剤が原因の発電能力の低下が防止される。転がり軸受は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受などとされるが、これに限定されるものではない。軸受装置を構成する軸受は、転がり軸受に限られるものではなく、フォイル軸受や磁気軸受を使用した場合であっても、ケーシングの回転軸支持部内の雰囲気が気体流通部内に移行することがスパイラル溝によって防止されることにより、圧縮空気の汚染が防止される。

この発明の燃料電池用圧縮機によると、インペラの背面およびこれに対向するケーシングの面の少なくとも一方に、インペラの回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝が形成されているので、ケーシングの回転軸支持部内の雰囲気による圧縮空気の汚染を防止することができ、燃料電池スタックの汚染が防止され、発電能力の低下が防止されるとともに、メンテナンス期間の大幅な延長が可能となる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図１の右を前、左を後というものとする。

図１は、この発明による燃料電池用圧縮機の実施形態を示すもので、燃料電池用圧縮機(1)は、非容積形の遠心圧縮機であって、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ケーシング(11)と、後端にインペラ(12)を有しケーシング(11)の内側で回転する水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)を支持する軸受装置(14)とを備えている。

ケーシング(11)は、回転軸(13)を支持する前側の回転軸支持部(15)と、インペラ(12)が配置されている後側の気体流通部(16)とを有している。

インペラ(12)は、背板(17)と、背板(17)に固定された複数の羽根(18)とを有している。インペラ(12)は、回転軸(13)の後端部にねじ部材(19)により固定されている。

回転軸(13)は、段付軸状をなし、回転軸支持部(15)内の空間内に配置されている。

軸受装置(14)は、前後１対の玉軸受(21)(22)によって構成されている。

ケーシング(11)の回転軸支持部(15)は、円筒部(15a)、円筒部(15a)の前端部に設けられて前側の玉軸受(21)を支持する前蓋部(15b)、円筒部(15a)の後端部に設けられて後側の玉軸受(22)を支持する後蓋部(15c)からなる。回転軸支持部(15)の円筒部(15a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型モータ(20)が設けられている。モータ(20)は、回転軸支持部(15)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。

ケーシング(11)の気体流通部(16)内の空間の後端に気体流入路(16a)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(12)が回転し、インペラ(12)の回転により、空気が、気体流入路(16a)から気体流通部(16)内の空間(16b)に流入し、同空間(16b)内で圧縮され、同空間(16b)に通じる気体流出路（図示略）を通って排出される。気体流通部(16)の内面とインペラ(12)との間には、圧縮性能を確保するための所定の大きさの隙間が形成されている。

段付き状の回転軸(13)は、モータ(20)のロータ(20b)がアキシアル方向中間部分に設けられている大径部(23)と、大径部(23)の前後方向外側に連なる前側および後側の小径部(24)(25)とからなる。

インペラ(12)は、後側小径部(25)の後端部に取り付けられており、各玉軸受(21)(22)は、各小径部(24)(25)にそれぞれ設けられている。インペラ(12)の背板(17)は、回転軸支持部(15)の後蓋部(15c)に嵌め合わされた孔あき円板状のインペラ支持板(26)に対向させられている。

図２に拡大して示すように、インペラ支持板(19)の後面には、小径部(27)が設けられており、インペラ(12)の背板(17)の前面の周縁部には、小径部(27)の外径に嵌め合わされる環状の突出縁部(28)が設けられている。インペラ(12)の前面（背面）と、インペラ支持板(26)との間には、わずかな間隙が設けられている。

インペラ支持板(26)の小径部(27)の後面（インペラ(12)の背面に対向する面）(27a)には、図３に示すようなスパイラル溝(29)が形成されている。スパイラル溝(29)は、径方向内方へ圧力を発生するように半径方向に対して傾斜した複数（図示は４本）の略直線状溝(29a)からなる。各直線状溝(29a)は、インペラ支持板(26)の小径部(27)の外周面(27b)から小径部(27)の内周面(27c)までにわたってのびるとともに、半径方向に対して、内周面側の部分が回転方向側にずれ、外周面側の部分が回転方向の反対側にずれるように形成されている。

図示省略するが、インペラ(12)背面となる背板(18)の前面にもスパイラル溝が形成されていることが好ましい。インペラ(12)の背板(18)に形成されるスパイラル溝は、インペラ(12)の回転により径方向内方へ圧力を発生するために、図２に示したものとは半径方向に対する傾斜の向きが逆向きとされる。

なお、スパイラル溝(29)を形成する各溝は、直線状でなく、回転方向側に向かって膨らむような湾曲状であってもよく、溝深さも任意である。

インペラ(12)の回転により径方向内方へ圧力を発生する作用をさらに高めるために、図４に拡大して示すように、インペラ支持板(27)の小径部(27)の外周面(27b)にも、インペラ(12)の回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝(30)が形成されている。

この燃料電池用圧縮機(1)によると、図３において、時計方向にインペラ(12)が回転すると、インペラ(12)背面部の雰囲気は、同図に矢印で示すように、径方向外方からスパイラル溝(29)の各溝(29a)内に流入して径方向内方へ案内され、これにより、ケーシング(11)の回転軸支持部(15)内の雰囲気が気体流通部(16)内に流入することが防止される。回転軸支持部(15)内には、玉軸受(21)(22)の潤滑剤（グリース、鉱物油など）が蒸発することなどによって汚染された空気が存在しており、これが燃料電池側へ送られると、燃料電池スタックが汚染されて発電能力が低下する恐れがあるが、インペラ(12)背面部には、上記のように、インペラ(12)の回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝(29)(30)が形成されていることから、潤滑剤成分等が燃料電池への供給側に流入することが防止され、燃料電池の発電能力の低下が防止されるとともに、燃料電池のメンテナンス期間の大幅な延長が可能となる。

図１は、この発明による燃料電池用圧縮機の１実施形態を模式的に示す縦断面図である。図２は、要部の拡大縦断面図である。図３は、ケーシングのインペラ取付け部のインペラ対向面に設けられるスパイラル溝の一例を示す図である。図４は、ケーシングのインペラ取付け部の外周面形状の好ましい一例を示す図である。

符号の説明

(1) 燃料電池用圧縮機
(11) ケーシング
(12) インペラ
(13) 回転軸
(14) 軸受装置
(15) 回転軸支持部
(16) 気体流通部
(29) スパイラル溝

Claims

回転軸を支持する回転軸支持部およびインペラが配置されている気体流通部を有するケーシングと、一端にインペラを有しケーシングの回転軸支持部の内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、
インペラの背面およびこれに対向するケーシングの面の少なくとも一方に、インペラの回転により径方向内方へ圧力を発生するスパイラル溝が形成されていることを特徴とする燃料電池用圧縮機。