JP2009203854A - 燃料電池用圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 軸受装置に潤滑剤が使用される場合でも、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】 モータロータ20bの外周面およびステータ20aの内周面の少なくとも一方に、インペラ12の回転により反インペラ方向へ圧力を発生するスパイラル溝27,28が形成されている。
【選択図】 図１

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として、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ものが提案されている。
特開２００７−９２６４６号公報
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る。一方、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、潤滑剤が必要であり、この潤滑剤が蒸発して圧縮空気に混入すると、燃料電池スタックが汚染され、発電能力が低下する可能性がある。
この発明の目的は、上記実情に鑑み、軸受装置に潤滑剤が使用される場合でも、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、回転軸支持部側に設けられたステータおよび回転軸側に設けられたロータからなるモータとを備え、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、モータロータの外周面およびステータの内周面の少なくとも一方に、インペラの回転により反インペラ方向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。
スパイラル溝は、モータロータの外周面だけに設けられてもよく、ステータの内周面だけに設けられてもよく、より好ましくは、両方に設けられる。
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軸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。空気流入路以外からの空気、例えばケーシングの回転軸支持部内の空気が気体流通部に入ることは、燃料電池スタックが汚染する可能性があるため好ましくないが、モータロータの外周面および／またはステータの内周面に、インペラの回転により軸方向の反インペラ方向へ圧力を発生するスパイラル溝が形成されていることで、ケーシングの回転軸支持部内の空気は、反インペラ方向に送られ、これにより、燃料電池スタックを汚染させる可能性のある空気が気体流通部に流れ込むことが抑制される。
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、スパイラル溝によって、インペラの回転に伴って軸方向の反インペラ方向への圧力が発生することで、ケーシングの回転軸支持部内の空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空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、モータロータの外周面およびステータの内周面の少なくとも一方に、インペラの回転により反インペラ方向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空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。しかも、反インペラ方向への空気の流れによって、熱の排気が可能となり、モータロータの冷却効果も得ることができる。
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)側に設けられたモータステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたモータロータ(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。
モータロータ(20b)は、回転軸(13)の軸方向中間部分に設けられており、回転軸(13)の両端部には、前側および後側の小径部(24)(25)が設けられている。
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。
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。
モータロータ(20b)の外周面には、スパイラル溝(27)が設けられており、また、モータステータ(20a)の内周面にも、スパイラル溝(28)が設けられている。
各スパイラル溝(27)(28)は、軸方向の反インペラ方向である前方（図の右方）へ圧力を発生させるもので、モータロータ(20b)に設けられているスパイラル溝(27)は、インペラ(12)の回転方向が図に矢印で示す方向（前方から見た場合に反時計方向）であるのに対応させて、左ねじと同じ方向に溝が切られている。したがって、インペラ(12)の回転に伴ってモータロータ(20b)が回転すると、軸方向に移動できないモータロータ(20b)に設けられた左ねじ方向のスパイラル溝(27)によって、回転軸支持部(15)内の空気は、反インペラ方向である前方に送られる。
モータステータ(20a)内周に設けられているスパイラル溝(28)は、インペラ(12)の回転により前方（軸方向の反インペラ方向）へ圧力を発生するために、モータロータ(20b)に設けられたものとはその向きが逆（右ねじと同じ方向）とされている。
この燃料電池用圧縮機(1)によると、前方から見て反時計方向にインペラ(12)が回転すると、回転軸支持部(15)内には、反インペラ方向の空気の流れが形成され、これにより、ケーシング(11)の回転軸支持部(15)内の空気が気体流通部(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、モータロータ(20b)およびモータステータ(20a)には、上記のように、インペラ(12)の回転により反インペラ方向へ圧力を発生するスパイラル溝(27)(28)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。また、回転軸支持部(15)内に軸方向の空気の流れが形成されていることで、モータロータ(20b)の冷却効果が高められる。
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。
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
(20) モータ
(20a) モータステータ
(20b) モータロータ
(27)(28) スパイラル溝

Claims (1)

  1. 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、回転軸支持部側に設けられたステータおよび回転軸側に設けられたロータからなるモータとを備え、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、
    モータロータの外周面およびステータの内周面の少なくとも一方に、インペラの回転により反インペラ方向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。
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