JP2009520141A - 燃料電池用圧縮システム - Google Patents

Abstract

モーターを含む複数ステージの燃料電池用遠心圧縮システムで、軸と、モーターと接続される圧縮機を含む。圧縮機は、第一ステージ入口と、第一ステージ入口と流体接続される第一ハウジングと、軸によって駆動されてシステムの第一ステージを通るように流体の流れを送る第一インペラーを含む。さらに圧縮機は、第一ハウジングと流体接続される第一ステージ出口と、第二ステージ入口と、第二ステージ入口と流体接続される第二ハウジングと、第二ステージを通るように流体の流れを送る第二インペラーと、第二ハウジングと流体接続される第二ステージ出口と、第一ステージ出口と第二ステージ入口の間で伸びるパイプを含む。パイプは、第一ステージ出口を第二ステージ入口に流体接続し、流体の少なくとも一部をシステムの第一ステージから第二ステージまで向かわせる。

Description

本出願は、２００５年１２月１４日に出願された米国仮出願第６０/７５０，２２５号に関する優先権を主張し、その全体を参考文献として包含する。

本発明は、燃料電池用圧縮システム一般に関するが、これには、圧縮システムの第一ステージから第二ステージまでパイプを用いて燃料を送る、複数ステージの燃料電池用遠心圧縮システムも含む。

これらの操作の一部では、燃料電池は一般に、セルスタック (fuel cell stack)に高圧の低い流れで流体を流入させることを必要としている。単一ステージの遠心圧縮機では、一般に、この状況下では、これらが圧縮機のサージ点を越えた領域内に存在するため、操作することができない。複数の連続ステージの圧縮機では、各ステージを横切る圧力差によってサージラインが決定され、これら各ステージが合わせて全体的により高い圧縮システム圧力を形成して、サージラインをより高い圧力に移すので、より広い操作範囲を可能にしている。

単一ステージの遠心圧縮機では、一般に、標準の大量生産軸受の性能を超えることがある、高いローター速度に達することを必要とすることなく、効率的に流体を圧縮することができない。通常の複数の連続ステージの圧縮機では、流体を第一ステージで第一圧力に圧縮してから、さらに第二ステージでより高い圧力に圧縮することができ、この際、より低い圧縮ローター速度を用いることができる。通常の複数ステージの圧縮機では、一般に、Ｕ字状に湾曲するタイプの中間搬送路を備えて、圧縮機の第一ステージから第二ステージまで流体の流れを向かわせるように流れを反らしている。しかしながら、このような通常のＵ字状に湾曲するタイプの搬送路では、効率的な領域を狭めるため、圧縮機の操作範囲の全体的なシステム効率に影響を与えており、例えば、この結果としてオフ‐ピーク圧縮性能を低下させていた。

そこで、燃料電池の効率を向上させるため、圧縮機のステージ間の圧力損失を最小にするように、燃料電池用圧縮システムが求められていた。さらに、特に通常の燃料電池用圧縮システムに用いられる圧縮機の渦巻（ヴォリュート）の構成は典型的に比較的複雑のため、スペースと収容の要求を減らすように、ぴったりと収容するように構成できる燃料電池用圧縮システムが求められていた。例えば、通常の圧縮機の渦巻は、一般に、渦巻の開始側の小さな直径から、渦巻の出口側の大きな直径まで、弧を描くように円形の断面区間を有している。このような構成は、通常、インベストメント鋳造を必要としているが、この結果、コストを高めて、生産を遅らせていた。そこで、圧縮機の渦巻の生産性を向上できるように、改良された圧縮機の渦巻の構成を備えた燃料電池用圧縮システムが求められていた。

よって、本発明は、実施形態の一つでは、モーターを含む、複数ステージの燃料電池用遠心圧縮システムを提供するが、モーターによって駆動される軸と、モーターと接続される圧縮機を含む。この圧縮機は、第一ステージ入口と、この第一ステージ入口と流体接続される第一ハウジングと、軸によって駆動されて、システムの第一ステージを通るように流体の流れを送る第一インペラーを含む。さらに圧縮機は、第一ハウジングと流体接続される第一ステージ出口と、第二ステージ入口と、この第二ステージ入口と流体接続される第二ハウジングと、軸によって駆動されて、第二ステージを通るように流体の流れを送る第二インペラーと、第二ハウジングと流体接続される第二ステージ出口と、第一ステージ出口と第二ステージ入口の間で伸びるパイプを含む。このパイプは、第一ステージ出口を第二ステージ入口に流体接続して、流体の少なくとも一部をシステムの第一ステージから第二ステージまで向かわせる。また、本発明は、燃料電池用遠心圧縮機の製造方法も提供する。尚、上記“パイプ”は、流体コネクタの他の形態を含んだり、構成することができ、例えば、流体搬送用チューブや、フレキシブルな流体接続装置（例えば、ホースや他の流通管等）を含むが、これらに限定されない。

さらに、外部のクロスオーバー流体搬送チューブを用いることで、とりわけ、損失を最小にするように構成して、圧縮機用の効率的な領域を広げることができ、この結果、より広い又は全操作範囲内で、圧縮システムの全体的な効率を向上することができる。

この改良した複数ステージの燃料電池用圧縮システムによって、幾つかの長所を提供できる。とりわけ、改良した複数ステージの燃料電池用圧縮システムは、例えばＵ字状に湾曲する移送の替わりに、第一ステージから第二ステージまで流体の流れを向かわせるようにパイプを用いることで、システムの連続したステージ間での幅広い操作範囲にわたって圧力損失を最小にできる。さらに、圧縮機の渦巻の構成が、例えば、より広げられた円形の断面区間を含むことで、複数ステージの燃料電池用圧縮システムに用いられる、圧縮機の渦巻の生産性を向上できる。さらに、圧縮機の各ステージは、単一ステージの圧縮機と比べて、同じ圧力比までブーストするためにより低い圧力比を有するため、圧縮機のサージを減らすか、防ぐことができる。

本発明の上記特徴と他の特徴は、当該技術分野の当業者であれば、以下の詳細な説明を参照することで明らかになると思料するが、この説明は、本発明の特徴を例示したものである。
以下、添付した図を参照して、本発明の実施形態について、例示的に説明する。

本発明の実施形態を詳細に参照するが、この例は、添付した図に示されている。本発明は、実施形態と合わせて説明されるが、これら実施形態に本発明を限定することを意図したものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付した特許請求の範囲によって定められる本発明の技術思想と範囲内の、変更、修正、及び同等物を含むことを意図している。

図１−２には、本発明の実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システム１０の斜視図と平面図が、夫々概略的に示されている。例示したシステム１０は、モーター１２と圧縮機１４を含んでいる。

図３−４を参照すると、複数ステージの燃料電池用圧縮システム１０の断面図が概略的に示されており、モーター１２は軸１６を含むことが示されている。モーター１２には電動機が含まれ、これは軸１６を駆動するように構成できる。この実施形態では、圧縮機１４内に一つの軸受１８を設けているが、この際、モーター１２のローターを圧縮機の軸１６に対して直接的に連結したり、取付けてもよい。他の実施形態では、圧縮機１４内に複数の軸受を設けてもよい。軸１６の回転移動に合わせて一つの軸受１８（又は複数の軸受）を設けて、この軸１６を、以下に詳述するシステム１０のような、システム用の二つのインペラーを駆動する共通軸にしてもよい。この実施形態では、モーター１２と圧縮機１４の間で略軸方向に軸１６を伸ばしていてもよい。

圧縮機１４は、流入する流体を、燃料電池に用いるため、より高圧に圧縮するように構成されている。例えばカップリング２０を介して、圧縮機１４をモーター１２につなげてもよい。図５を参照すると、カップリング２０は、モーター１２を圧縮機１４につなげるため、複数のピン２２を有することができる。例示した実施形態では、カップリング２０は、等角配置された３つのピンを有している。図３−４を再度参照すると、この実施形態では、一つの軸受２４又は複数の軸受を圧縮機内に設けることができる。さらに、この実施形態では、モーター内に複数の軸受を設けることができる。他の実施形態では、モーター１２と圧縮機１４の双方に少なくとも一つの軸受を設けることができる。圧縮機１４は、第一ステージ２６、パイプ２８、及び第二ステージ３０を有することができる。複数（二つ以上）のステージを含むことで、圧縮機１４は、通常の単一ステージの圧縮機と比べて、操作の回転速度がより低くても、一般により高い圧力を達成できる。

例示した実施形態では、流入する流体を第一ステージ圧力まで圧縮できるように、第一ステージ２６を構成している。第一ステージ２６は、モーター１２の下流に置かれていてもよい。図１−４を参照すると、第一ステージ２６は、入口３２、ハウジング３４、インペラー３６、及び出口３８を有することができる。

第一ステージ入口３２は、圧縮機１４の第一ステージ２６内に流体を受取るように構成できる。この実施形態では、第一ステージ入口３２は、軸１６に対して非軸方向に傾斜している。例えば、例示した実施形態では、第一ステージの入口３２は、軸１６に対して実質的に垂直に設けられている。この実施形態では、流体は、軸１６に対して非軸方向に傾斜して第一ステージ入口３２に流入でき、そして必要に応じて、経路を定めることができ、例えば、濾過器を通るように、径方向に経路を定めることができる。次に、流体は、第一ステージ２６内に軸方向に曲がって、第一ステージ２６内で軸方向に流動する。

第一ハウジング３４は、システム１０の第一ステージ２６を通って送られる流体を保持するように構成できる。第一ハウジング３４は、入口３２に対して流体接続できる。この実施形態では、第一ハウジング３４は、第一部（例えば、一番目の半分）４０と第二部（例えば二番目の半分）４２を含み、複数の固定具４４を用いて接続されるが、これには、通常の固定手段（例えば、受取り部と、対応するねじやボルト）を含み、第一部４０と第二部４２の双方の外面に関して配置できる。特定の実施形態では、複数の固定具４４を、第一部４０と第二部４２の外周囲にほぼ沿って配置できる。

図６を参照して、他の実施形態では、ハウジング３４の第一と第二部４０、４２の表面（例えば、外面）の部位を、第二の操作の手段によって接続してもよい。このような第二の操作には、クリンピング、溶接、接着（粘着物を用いるものと用いないもの）、又は、これらの二つ又は複数の組合せを含むことができる。例えば、第一と第二部４０、４２の外面の一部を合わせてクリンピングして、ハウジング３４の少なくとも一部を形成してもよいが、これに限定されない。例示した実施形態では、概略的に例示しているタブ４３、５９のように、タブを、クリンピング操作中に曲げたり、下方に折畳んでもよい。この実施形態では、第一ハウジング３４は、渦巻を有していてもよい。

図１−４を再度参照すると、ハウジング３４内で回転するように第一インペラー３６を構成して、システム１０の第一ステージ２６を通るように経路を定められた流体を加圧してもよい。第一インペラー３６は、ハウジング３４によって少なくとも部分的に囲まれる。軸１６によって第一インペラー３６を駆動して、システム１０の第一ステージ２６を通るように流体の流れを向かわせてもよい。特定の実施形態では、第一インペラー３６を軸１６につなげてもよい。インペラー３６は、ハウジング３４内で回転するにつれて、第一ステージで加圧された流体を形成できる。

第一ステージ出口３８は、さらなる加圧のため、第一ステージで加圧された流体を、システムの第二ステージ３０に向かわせるように構成できる。この実施形態では、第一ステージ出口３８は、軸１６に対して非軸方向に傾斜している。幾つかの実施形態では、第一ステージ出口３８は、軸１６に対して実質的に垂直に設けてもよい。また、第一ステージ出口３８は、ハウジング３４と流体接続される。

例示した実施形態では、パイプ２８を備えて、さらなる加圧のため、第一ステージで加圧した流体を第一ステージ２６から第二ステージ３０に移動させるように構成している。この実施形態では、第一ステージ出口３８と第二ステージ入口４６の間でパイプ２８を伸ばして、第一ステージ出口３８を第二ステージ入口４６に流体接続している。よって、パイプ２８は、システム１０の第一ステージ２６から第二ステージ３０まで流体の少なくとも一部を向かわせることができる。この実施形態では、パイプ２８の少なくとも一部は、圧縮機１４の外側で、外側のクロスオーバーパイプとして構成できる。例示した実施形態では、パイプ２８は、ポリマー、又はプラスチック（樹脂）材料から構成できる。また、この実施形態では、パイプ２８は、ポリプロピレン、又はアクリロニトリル ブタジエン スチレン（ＡＢＳ)から構成できる。

第二ステージ３０は、システム内で流体をさらに加圧するように構成できる。つまり、第一ステージで加圧された流体をさらに加圧して、第二ステージで加圧された流体にできる。この実施形態では、第二ステージ３０は、入口４６、ハウジング４８、インペラー５０、及び出口５２を有することができる。

第二ステージ入口４６は、パイプ２８から圧縮機１４の第二ステージ３０内まで流体を受取るように構成できる。この実施形態では、第二ステージ入口４６は、軸１６と実質的に並び、第二ステージ３０内に流体を軸方向に送ることができる。

第二ハウジング４８は、システム１０の第二ステージ３０を通って送られる流体を保持するように構成できる。この実施形態では、第二ハウジング４８は、入口４６に対して流体接続できる。必要に応じて、第二ハウジング４８内に円錐頭（ノーズコーン）５４を設けて、配置してもよい。第一ハウジング３４と同様に、第二ハウジング４８は、第一部（例えば、一番目の半分）５６と第二部（例えば二番目の半分）５８を含み、複数の固定具６０を用いて接続されるが、この実施形態では、複数の固定具６０を、第一部５６と第二部５８の外面に配置してもよい。特定の実施形態では、複数の固定具６０を、実質的に、第一部５６と第二部５８の外周囲で、沿って設けてもよい。図６を参照して、他の実施形態では、第一ハウジング３４について一般的に説明したように、第二ハウジング４８の第一と第二部５６、５８を、これら第一と第二部５６、５８の外面で、又は沿って一体に接続して（例えば、一体にクリンピングする）、ハウジング４８を形成してもよい。例示すると、クリンピング操作の一部でタブ５９及び／又はタブ４３を曲げたり、下方に折畳んでもよいが、これに限定されない。この実施形態では、第二ハウジング４８は、渦巻を有していてもよい。

図１−４を再度参照すると、第二ハウジング４８内で回転するように第二インペラー５０を構成して、システム１０の第二ステージ３０を通るように経路を定められた流体を加圧してもよい。この実施形態では、第二インペラー５０は、ハウジング４８によって少なくとも部分的に囲まれて、軸１６によって駆動されて、システム１０の第二ステージ３０を通るように流体の流れを向かわせてもよい。特定の実施形態では、第二インペラー５０を軸１６につなげてもよい。この実施形態では、第二インペラー５０を、第一インペラー３６の近くの軸上の位置で軸１６につなげてもよい。さらに、このシステムの実施形態では、第二インペラー５０を第一インペラー３６に対して、背面を向かい合わせて配置してもよい。一般に、インペラー５０は、ハウジング４８内で回転するにつれて、第二ステージで加圧された流体を形成できる。

第二ステージ出口５２は、さらなる使用や処理のために、第二ステージの圧力流体を、圧縮機１４から離すように移動させて、例えば、燃料電池入口に向かわせるように提供できる。この実施形態では、第二ステージ出口５２は、軸１６に対して非軸方向に傾斜しているが、必要に応じて、軸１６に対して実質的に垂直に設けてもよい。第二ステージ出口５２は、ハウジング４８に対して流体接続される。

さらに、本発明の他の特徴として、燃料電池用遠心圧縮機の製造方法を提供する。図７Ａに一般的に示しているように、通常の圧縮機の渦巻は、一般に円形の断面区間を有し、この直径を圧縮機の出口６２の周りで弧を描くにつれて大きくしている。本発明の実施形態では、圧縮機の渦巻６４は、図７Ｂに一般的に示しているように、図７Ａに示した通常の圧縮機の渦巻と比べて、より広げられた円形の断面区間を有することができる。

本発明の燃料電池用遠心圧縮機の製造方法では、渦巻の第一部を形成し、渦巻の第二部を形成し、そして、これら第一及び第二部を接続する。上記形成ステップは、ダイカスト、鍛造、又はプレス加工を含むことができる。この実施形態では、渦巻は、圧縮機の出口６２、圧縮機の出口６２の第一側６８からまっすぐに伸びる内面６６、湾曲部６９、圧縮機の出口６２の第二側７０まで伸びる部位を有する。本発明の実施形態では、概略的に示しているように、湾曲部６９から、第二側７０まで伸びる部位までの区間は、実質的にまっすぐな区間７２を有していてもよく、さらに、実質的に垂直なコーナー７４を有していてもよい（断面で眺めた時）。上記実施形態の構成は、とりわけ、図７Ａに一般的示したような半島状断面を形成する必要をなくすため、これによって、潜在的に流動性と製造性を改良する。

例示的に示すと、本発明の圧縮機の渦巻６４の改良した構造と構成により、とりわけ、本発明の圧縮機の渦巻６４の製造性を向上することができ、典型的なダイロック問題を生じさせず、二つの部品を一般的にダイカストさせて、本発明の圧縮機の渦巻６４を得ることができるが、これに限定されない。このような改良した構成の圧縮機の渦巻を製造するためにインベストメント鋳造を必要としないため、製造コストを減らして、生産率を向上することができる。また、この改良した構成は、インペラーから渦巻までの接線方向の流入を保つことを助けることができる。

以上、本発明について例示し、説明するため、本発明の特定の実施形態について上述した。但し、これらは、ここで説明した特定の形態に本発明を制限したり、限定することを意図したものではなく、上記本発明の技術思想内で、様々な修正や変更が可能である。上記実施形態は、本発明の特徴とこの実施形態を説明するために選ばれて、選択されたものであり、当該技術分野の当業者であれば、本発明を利用して、特定の使用形態に適するように、様々に修正された、様々な実施形態を思料できるであろう。よって、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲と、これらの同等物によって定められることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システムの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システムの平面図である。 本発明の例示的な実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システムの断面図である。 本発明の例示的な実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システムの断面図である。 本発明の例示的な実施形態に従う複数ステージの燃料電池用圧縮システム用のカップリングの斜視図である。 クリンピングされていないクリンピング結合部を示した、燃料電池用圧縮システム用のハウジングの要部断面図である。 （Ａ）従来技術の圧縮機の渦巻の断面図と、（Ｂ）本発明の例示的な実施形態に従う圧縮機の渦巻の断面図である。

Claims (25)

1. モーターと圧縮機を含む、複数ステージの燃料電池用圧縮システムであって、
   前記モーターは、このモーターによって駆動される軸を含み、
   前記圧縮機は、前記モーターにつなげられて、
   第一ステージ入口と、
   前記第一ステージ入口と流体接続される第一ハウジングと、
   前記第一ハウジングによって少なくとも部分的に囲まれて、前記軸によって駆動されて、前記システムの第一ステージを通るように流体の流れを送る第一インペラーと、
   前記第一ハウジングと流体接続される第一ステージ出口と、
   第二ステージ入口と、
   前記第二ステージ入口と流体接続される第二ハウジングと、
   前記第二ハウジングによって少なくとも部分的に囲まれて、前記軸によって駆動されて、前記システムの第二ステージを通るように流体の流れを送る第二インペラーと、
   前記第二ハウジングと流体接続される第二ステージ出口と、
   前記第一ステージ出口と前記第二ステージ入口の間を伸びて、前記第一ステージ出口を前記第二ステージ入口に流体接続して、流体の少なくとも一部を前記システムの前記第一ステージから前記第二ステージまで向かわせるパイプと、を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記モーターは、電動機を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記第一ステージ入口は、前記軸に対して非軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記第一ステージ出口は、前記軸に対して非軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記第二ステージ入口は、前記軸と実質的に並ぶことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記第二ステージ出口は、前記軸に対して非軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記非軸方向の傾斜は、実質的に垂直であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
8. 前記第一インペラーと前記第二インペラーは、背面を向かい合わせて配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記モーターは、前記第一ステージの上流に置かれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記流体の少なくとも一部は、前記第一ステージ内に軸方向に流れることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. さらに前記モーター内に一つ又は複数の軸受を設けることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. さらに前記圧縮機内に一つ又は複数の軸受を設けることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. さらに前記モーターを前記圧縮機につなげるドライブカップリングを設けることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
14. 前記ドライブカップリングは、複数のピンを含むことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記カップリングは、等角配置された３つのピンを含むことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. さらに、前記第二ハウジング内にノーズコーンを設けることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
17. 前記第一ハウジングの第一部と第二部を複数の固定具を用いて接続し、前記固定具を前記第一及び第二部の各々の外面部に設けたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
18. 前記第一ハウジングの第一部と第二部を、第二の操作によって、前記第一及び第二部の各々の外面で接続することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
19. 前記第二の操作は、クリンピング、溶接、接着又は粘着物を用いるもの、又は、これらの二つ又は複数の組合せを含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. 前記外面は、実質的に前記第一及び第二部の一つ又は双方の外周を含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
21. 前記パイプの少なくとも一部は、外側のクロスオーバーパイプであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
22. 前記パイプの少なくとも一部は、ポリマー、又はプラスチック材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
23. 前記パイプの少なくとも一部は、ポリプロピレン、又はアクリロニトリル ブタジエン スチレン（ＡＢＳ）から構成されることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
24. 燃料電池用遠心圧縮機の製造方法であって、
    渦巻の第一部を形成し、
    渦巻の第二部を形成し、
    前記第一部と前記第二部を接続して、圧縮機の出口を含む渦巻を形成し、この渦巻は、前記圧縮機の出口の第一側から伸びる内面を含み、湾曲部を含み、かつ、前記圧縮機の出口の第二側まで伸びることを特徴とする方法。
25. 前記形成ステップは、ダイカスト、鍛造、又はプレス加工を用いることを特徴とする請求項２４に記載の方法。

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