JP2010168904A - Air supply device for fuel cell - Google Patents

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裕豊 宮川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air supply device for a fuel cell, in which radial foil bearings for supporting the rotating shaft of an electric motor are hardly worn. <P>SOLUTION: This air supply device 6 for a fuel cell includes a centrifugal compressor 15 which is connected to one end of a rotating shaft 10 and operated by the rotation of the electric motor 13, an air supply passage 35 which sucks air from the outside by the operation of the centrifugal compressor 15, compresses the air by the centrifugal compressor 15, and supplies the air to a fuel cell stack, a valve 39 provided midway to the air supply passage 35, and a control unit 40 for regulating the quantity of the air by suppressing the rotational speed of the electric motor 13. The control unit 40 includes a valve control unit 41 for regulating the quantity of air by controlling the valve 39 while maintaining the rotational speed of the electric motor at which the rotating shaft 10 is floated by the dynamic pressure of the air in the radial foil bearings 31, 32. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば燃料電池自動車等の燃料電池に、水素等と反応させて電力を発生させるための酸素を含む空気を圧縮して供給する燃料電池用空気供給装置に関するものである。   The present invention relates to an air supply device for a fuel cell that compresses and supplies air containing oxygen for reacting with hydrogen or the like to generate electric power in a fuel cell such as a fuel cell vehicle.

近年、水素、アルコール等の燃料を燃焼させずに、燃料電池において電気化学的に空気中の酸素と反応させて電力を発生させ、発生させた電力によって電動機を回転させて走行する燃料電池自動車の開発が進んでいる。燃料電池に空気を供給するためには、電動モータと、前記電動モータの回転軸の一端に接続され、電動モータの回転によって動作される遠心圧縮機と、前記遠心圧縮機の動作によって外部から空気を吸入し、その空気を遠心圧縮機で圧縮して燃料電池スタックに供給する空気供給路とを備えた燃料電池用空気供給装置が用いられる。   2. Description of the Related Art Recently, fuel cells such as hydrogen and alcohol do not burn, but generate electric power by electrochemically reacting with oxygen in the air in a fuel cell, and a fuel cell vehicle that runs by rotating an electric motor with the generated electric power. Development is progressing. In order to supply air to the fuel cell, an electric motor, a centrifugal compressor connected to one end of a rotating shaft of the electric motor and operated by rotation of the electric motor, and air from the outside by operation of the centrifugal compressor A fuel cell air supply device is used that includes an air supply passage that sucks the air and compresses the air with a centrifugal compressor and supplies the compressed air to the fuel cell stack.

前記燃料電池用空気供給装置においては、空気を十分に圧縮した状態で燃料電池に供給する必要があるため、遠心圧縮機のインペラをおよそ数万回転以上といった高速で回転させなければならない。そのため電動モータの回転軸は、通常の転がり軸受等ではなく、フォイル軸受や磁気軸受を用いて、高速回転時に非接触の状態で支持する場合がある。
例えば前記回転軸を、電動モータのロータを挟んで回転軸の軸方向の両側に設けた一対のラジアルフォイル軸受によって径方向から支持すると共に、同領域に設けた一対のアキシアル磁気軸受によって軸方向から支持することが行なわれる(例えば特許文献1参照)。
In the fuel cell air supply device, since it is necessary to supply air to the fuel cell in a sufficiently compressed state, the impeller of the centrifugal compressor must be rotated at a high speed of about several tens of thousands of revolutions. For this reason, the rotating shaft of the electric motor may be supported in a non-contact state during high-speed rotation by using a foil bearing or a magnetic bearing instead of a normal rolling bearing.
For example, the rotating shaft is supported from the radial direction by a pair of radial foil bearings provided on both sides in the axial direction of the rotating shaft across the rotor of the electric motor, and from the axial direction by a pair of axial magnetic bearings provided in the same region. Support is performed (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−192115号公報JP 2007-192115 A

ラジアルフォイル軸受は、回転軸のうち前記ラジアルフォイル軸受によって支持する部位より大径に形成した通孔の内面に、ごく薄い金属箔等からなる1枚の、または2枚以上のフォイルセグメントを取り付けて構成される。前記ラジアルフォイル軸受によれば、支持する回転軸の回転数が所定値に達するまでは、前記フォイルセグメントが回転軸の外周面に直接に接触して前記回転軸を径方向から支持し、回転数が所定値以上に達した後は、前記回転軸の外周面とフォイルセグメントとの間に発生する動圧によって、回転軸をその全周に亘ってフォイルセグメントの表面から浮上させて非接触の状態で支持できる。   A radial foil bearing has one or two or more foil segments made of a very thin metal foil attached to the inner surface of a through-hole formed on a rotating shaft having a diameter larger than the portion supported by the radial foil bearing. Composed. According to the radial foil bearing, until the rotational speed of the rotating shaft to support reaches a predetermined value, the foil segment directly contacts the outer peripheral surface of the rotating shaft to support the rotating shaft from the radial direction. After reaching the predetermined value, the rotary shaft is lifted from the surface of the foil segment over the entire circumference by the dynamic pressure generated between the outer peripheral surface of the rotary shaft and the foil segment. Can support.

ところが、特に燃料電池自動車用の遠心圧縮機は、燃料電池自動車の走行状態等に応じて低速から高速まで広い範囲で回転数が制御されることが多い。そのため、特にフォイルセグメントが回転軸の外周面に直接に接触して前記回転軸を径方向から支持した状態での回転(低速回転)が長く続くような制御がされた場合に、前記フォイルセグメントが短期間で摩耗しやすく、摩耗量が大きくなる程、ラジアルフォイル軸受における回転軸を浮上させるための特性が低下したり失われたりしやすくなるという問題がある。   However, in particular, the centrifugal compressor for a fuel cell vehicle is often controlled in a wide range from a low speed to a high speed according to the traveling state of the fuel cell vehicle. Therefore, particularly when the foil segment is controlled so that the rotation (low-speed rotation) continues for a long time in a state where the foil segment directly contacts the outer peripheral surface of the rotating shaft and supports the rotating shaft from the radial direction, There is a problem that the characteristics for levitation of the rotary shaft in the radial foil bearing are likely to be deteriorated or lost as the wear amount is increased in a short period of time.

本発明の目的は、ラジアルフォイル軸受において摩耗が生じにくい燃料電池用空気供給装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an air supply device for a fuel cell that hardly causes wear in a radial foil bearing.

上記目的を達成するため、本発明は、回転軸(10)、ロータ(11)およびステータ(12)を含む電動モータ(13)と、前記電動モータの回転軸の一端に接続され、電動モータの回転によって動作される遠心圧縮機(15)と、前記回転軸を、電動モータの回転時に生じる動圧によって浮上させて支持する一対のラジアルフォイル軸受(31、32)と、前記遠心圧縮機の動作によって外部から空気を吸入し、その空気を遠心圧縮機で圧縮して燃料電池スタックに供給する空気供給路(35)と、電動モータの回転数を制御して燃料電池スタックに供給する空気の量を調整する制御部(40)とを含み、前記空気供給路は空気の量を調整するバルブ(39)を備え、前記制御部は、ラジアルフォイル軸受において回転軸が動圧によって浮上する電動モータの回転数を維持しながら、バルブを制御して燃料電池スタックに供給する空気の量を調整するバルブ制御部(41)を有することを特徴とする燃料電池用空気供給装置(6)を提供するものである(請求項1)。なお、カッコ内の英数字は後述の実施の形態における対応構成要素を示す。   In order to achieve the above object, the present invention is connected to an electric motor (13) including a rotary shaft (10), a rotor (11) and a stator (12), and one end of the rotary shaft of the electric motor. A centrifugal compressor (15) that is operated by rotation, a pair of radial foil bearings (31, 32) that support the rotating shaft by floating by a dynamic pressure generated when the electric motor rotates, and an operation of the centrifugal compressor The air supply path (35) for sucking air from outside, compressing the air with a centrifugal compressor and supplying the air to the fuel cell stack, and the amount of air supplied to the fuel cell stack by controlling the rotation speed of the electric motor The air supply path includes a valve (39) for adjusting the amount of air, and the control unit has a rotary shaft in a radial foil bearing that is driven by dynamic pressure. An air supply device for a fuel cell (6) having a valve control unit (41) for adjusting the amount of air supplied to the fuel cell stack by controlling the valve while maintaining the rotation speed of the electric motor ) (Claim 1). The alphanumeric characters in parentheses indicate corresponding components in the embodiments described later.

本発明によれば、バルブ制御部によってバルブを制御することで、電動モータの回転数を低下させることなく、ラジアルフォイル軸受において回転軸が動圧によって浮上する回転数を維持しながら、燃料電池スタックに供給される空気の量を調整できる。
そのため燃料電池自動車の走行時に、フォイルセグメントが回転軸の外周面に直接に接触して前記回転軸を径方向から支持した状態での回転(低速回転)が長く続くのを防止して、前記フォイルセグメントが短期間で摩耗するのを抑制できる。したがって本発明によれば、摩耗量が大きくなってラジアルフォイル軸受における回転軸を浮上させるための特性が低下したり失われたりしにくい燃料電池用空気供給装置を提供できる。
According to the present invention, by controlling the valve by the valve control unit, the fuel cell stack is maintained while maintaining the rotational speed at which the rotary shaft floats by the dynamic pressure in the radial foil bearing without reducing the rotational speed of the electric motor. The amount of air supplied to the can be adjusted.
Therefore, when the fuel cell vehicle is running, the foil segment directly contacts the outer peripheral surface of the rotating shaft and prevents rotation (low speed rotation) with the rotating shaft supported from the radial direction for a long time. The segment can be prevented from wearing in a short period of time. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an air supply device for a fuel cell in which the amount of wear is increased and the characteristics for floating the rotary shaft in the radial foil bearing are less likely to be lost or lost.

本発明によればバルブは、空気供給路のうち遠心圧縮機より空気の流れの上流側(36)に設けることができる(請求項2)。
この場合、空気供給路を通して外部から吸入される空気の量をバルブによって制限することで、回転軸が動圧によって浮上する電動モータの回転数を維持しながら、燃料電池スタックに供給される空気の量を抑制できる。またバルブを調整して、燃料電池スタックに供給される空気の量を調整できる。
According to the present invention, the valve can be provided on the upstream side (36) of the air flow from the centrifugal compressor in the air supply path (Claim 2).
In this case, the amount of air sucked from the outside through the air supply path is limited by a valve, so that the rotation speed of the electric motor whose rotative shaft is lifted by dynamic pressure is maintained and the air supplied to the fuel cell stack is maintained. The amount can be suppressed. The amount of air supplied to the fuel cell stack can be adjusted by adjusting the valve.

また本発明によれば空気供給路は、遠心圧縮機より空気の流れの下流側(37)において燃料電池スタックに達する主路(43)と前記主路から分岐してアキュムレータ(44)に達する分岐路(45)とを含み、バルブは前記分岐路に設けることができる(請求項3)。
この場合、遠心圧縮機で圧縮した空気の一部を、分岐路を通してアキュムレータに送ることで、主路を通して燃料電池スタックに供給される空気の量を抑制できる。またバルブを調整して、燃料電池スタックに供給される空気の量を調整できる。
Further, according to the present invention, the air supply path is divided into the main path (43) reaching the fuel cell stack on the downstream side (37) of the air flow from the centrifugal compressor, and the branch reaching from the main path to the accumulator (44). And a valve can be provided in the branch path (Claim 3).
In this case, the amount of air supplied to the fuel cell stack through the main path can be suppressed by sending a part of the air compressed by the centrifugal compressor to the accumulator through the branch path. The amount of air supplied to the fuel cell stack can be adjusted by adjusting the valve.

なおアキュムレータに送られた圧縮された空気は、任意の時点で燃料電池スタックに供給して使用できる。例えば燃料電池自動車の急加速時や高速走行時等の多量の空気を必要とする際に、前記空気を燃料電池スタックに供給することにより、電動モータの回転に余裕を持たせて消費電力を減少できる。   The compressed air sent to the accumulator can be supplied to the fuel cell stack at any time. For example, when a large amount of air is required, such as during rapid acceleration or high-speed driving of a fuel cell vehicle, supplying the air to the fuel cell stack reduces the power consumption by providing a margin for the rotation of the electric motor. it can.

本発明の燃料電池用空気供給装置が組み込まれる、例えば車載用の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the vehicle-mounted fuel cell apparatus in which the air supply apparatus for fuel cells of this invention is integrated. 本発明の一実施形態にかかる燃料電池用空気供給装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the air supply apparatus for fuel cells concerning one Embodiment of this invention. 図2の燃料電池用空気供給装置のうち制御部による電動モータおよびバルブの制御の一例を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an example of control of an electric motor and a valve by a control unit in the fuel cell air supply device of FIG. 2. 本発明の燃料電池用空気供給装置の変形例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the modification of the air supply apparatus for fuel cells of this invention. 図4の燃料電池用空気供給装置のうち制御部による電動モータおよびバルブの制御の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of control of the electric motor and valve | bulb by a control part among the air supply apparatuses for fuel cells of FIG.

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図1は、本発明の燃料電池用空気供給装置が組み込まれる、例えば車載用の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
図1を参照して、この例の燃料電池装置1は、燃料電池スタック2と、前記燃料電池スタック2から供給される電力を制御する電力制御器3と、燃料電池スタック2に水素を供給する高圧水素タンク4および水素ポンプ5と、燃料電池スタック2に圧縮した空気を供給する燃料電池用空気供給装置6と、前記燃料電池用空気供給装置6で圧縮した空気を加湿する加湿器7と、燃料電池スタック2および電力制御器3を冷却する冷却器8とを備えている。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an on-vehicle fuel cell device in which the fuel cell air supply device of the present invention is incorporated.
Referring to FIG. 1, a fuel cell device 1 of this example supplies a fuel cell stack 2, a power controller 3 that controls power supplied from the fuel cell stack 2, and supplies hydrogen to the fuel cell stack 2. A high-pressure hydrogen tank 4 and a hydrogen pump 5, a fuel cell air supply device 6 for supplying compressed air to the fuel cell stack 2, a humidifier 7 for humidifying the air compressed by the fuel cell air supply device 6, A cooler 8 that cools the fuel cell stack 2 and the power controller 3 is provided.

前記燃料電池装置1においては、高圧水素タンク4から水素ポンプ5を介して供給された水素と、外部から取り込んだ空気を燃料電池用空気供給装置6で圧縮され、加湿器7で加湿された空気とを燃料電池スタック2に供給する。そして燃料電池スタック2での水素と空気との電気化学反応によって、電力制御器3で制御された電力によって自動車を走行させる電動機9が駆動される。   In the fuel cell device 1, the hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 4 via the hydrogen pump 5 and the air taken from the outside are compressed by the fuel cell air supply device 6 and humidified by the humidifier 7. Are supplied to the fuel cell stack 2. Then, the electric motor 9 that drives the vehicle with the electric power controlled by the electric power controller 3 is driven by the electrochemical reaction between hydrogen and air in the fuel cell stack 2.

図2は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池用空気供給装置6の概略断面図である。
図2を参照して、この例の燃料電池用空気供給装置6は、回転軸10、ロータ11およびステータ12を含む電動モータ13と、前記電動モータ13を内部に収容するハウジング14と、前記ハウジング14の一端(図において左端)に結合された遠心圧縮機15とを備えている。ハウジング14は、この実施形態では両端が閉じられた筒状をなしている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell air supply device 6 according to one embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 2, the fuel cell air supply device 6 of this example includes an electric motor 13 including a rotary shaft 10, a rotor 11, and a stator 12, a housing 14 that houses the electric motor 13 therein, and the housing 14 and a centrifugal compressor 15 coupled to one end (the left end in the figure). In this embodiment, the housing 14 has a cylindrical shape with both ends closed.

回転軸10は円柱状の軸本体16を有している。ロータ11は、内径が前記軸本体16の外径と一致する筒状をなし、前記軸本体16に外嵌されて、回転軸10と一体回転される。ステータ12は、外径がハウジング14の内径と一致する筒状をなし、前記ハウジング14に内嵌されて固定されている。
回転軸10の、軸本体16より遠心圧縮機15側には、アキシアル磁気軸受17を構成する磁気ディスク18が取り付けられる取付部19、および遠心圧縮機15のインペラ20が取り付けられる取付部21がこの順に設けられている。前記各部および軸本体16は回転軸10の中心軸線L1と同軸となるように一体形成されている。
The rotating shaft 10 has a cylindrical shaft body 16. The rotor 11 has a cylindrical shape having an inner diameter that matches the outer diameter of the shaft main body 16, is fitted on the shaft main body 16, and is rotated integrally with the rotary shaft 10. The stator 12 has a cylindrical shape whose outer diameter matches the inner diameter of the housing 14, and is fitted into the housing 14 and fixed.
On the rotary shaft 10, on the side of the centrifugal compressor 15 from the shaft body 16, there are an attachment portion 19 to which the magnetic disk 18 constituting the axial magnetic bearing 17 is attached, and an attachment portion 21 to which the impeller 20 of the centrifugal compressor 15 is attached. It is provided in order. Each part and the shaft body 16 are integrally formed so as to be coaxial with the central axis L1 of the rotary shaft 10.

取付部19は軸本体16より小径とされて、円盤状の磁気ディスク18の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。取付部21は前記取付部19より小径の円柱状とされて先端にインペラ20が固定されている。
また回転軸10の、前記軸本体16より遠心圧縮機15側と反対側(図において右側、以下「機端側」と記載することがある)には、アキシアル磁気軸受22を構成する磁気ディスク23が取り付けられる取付部24が設けられている。取付部24および軸本体16は回転軸10の中心軸線L1と同軸となるように一体形成されている。取付部24は軸本体16より小径とされて、円盤状の磁気ディスク23の中心に設けられた通孔に嵌め合わされている。
The mounting portion 19 has a smaller diameter than the shaft main body 16 and is fitted into a through hole provided at the center of the disk-shaped magnetic disk 18. The mounting portion 21 has a cylindrical shape with a smaller diameter than the mounting portion 19, and an impeller 20 is fixed to the tip.
Further, on the side of the rotating shaft 10 opposite to the centrifugal compressor 15 side from the shaft body 16 (right side in the drawing, hereinafter sometimes referred to as “machine end side”), a magnetic disk 23 constituting an axial magnetic bearing 22 is provided. The attachment part 24 to which is attached is provided. The mounting portion 24 and the shaft body 16 are integrally formed so as to be coaxial with the central axis L1 of the rotating shaft 10. The mounting portion 24 has a smaller diameter than the shaft body 16 and is fitted into a through hole provided at the center of the disk-shaped magnetic disk 23.

ハウジング14内の、ステータ12より遠心圧縮機15側には、磁気ディスク18と共にアキシアル磁気軸受17を構成する環状の電磁石25が設けられている。
電磁石25は、ハウジング14に内嵌された、軸本体16を囲む環状の筐体26内に電磁コイル27を埋設して構成されている。電磁石25は、磁気ディスク18より機端側に設けられており、磁気ディスク18は、前記電磁石25に遠心圧縮機15側から対向されている。
An annular electromagnet 25 that constitutes an axial magnetic bearing 17 together with the magnetic disk 18 is provided in the housing 14 on the centrifugal compressor 15 side of the stator 12.
The electromagnet 25 is configured by embedding an electromagnetic coil 27 in an annular casing 26 that is fitted in the housing 14 and surrounds the shaft body 16. The electromagnet 25 is provided on the machine end side with respect to the magnetic disk 18, and the magnetic disk 18 is opposed to the electromagnet 25 from the centrifugal compressor 15 side.

一方、ハウジング14内の、ステータ12より機端側には、磁気ディスク23と共にアキシアル磁気軸受22を構成する環状の電磁石28が設けられている。
電磁石28は、ハウジング14に内嵌された、軸本体16を囲む環状の筐体29内に電磁コイル30を埋設して構成されている。電磁石28は、磁気ディスク23より遠心圧縮機15側に設けられており、磁気ディスク23は、前記電磁石28に機端側から対向されている。
On the other hand, an annular electromagnet 28 that forms an axial magnetic bearing 22 together with the magnetic disk 23 is provided in the housing 14 on the machine end side of the stator 12.
The electromagnet 28 is configured by embedding an electromagnetic coil 30 in an annular casing 29 that is fitted in the housing 14 and surrounds the shaft body 16. The electromagnet 28 is provided on the centrifugal compressor 15 side from the magnetic disk 23, and the magnetic disk 23 is opposed to the electromagnet 28 from the machine end side.

両電磁石25、28の磁気ディスク18、23に対向する面は、それぞれハウジング14の中心軸線L2に直交する平面とされている。また両磁気ディスク18、23の電磁石25、28に対向する面は、それぞれ回転軸10の中心軸線L1に直交する平面とされている。また両磁気ディスク18、23の前記両面間の間隔は、両電磁石25、28の、それぞれ磁気ディスク18、23に対向する両面間の間隔より一定のクリアランス分だけ大きめに設定されている。   The surfaces of the electromagnets 25 and 28 facing the magnetic disks 18 and 23 are planes orthogonal to the central axis L2 of the housing 14, respectively. The surfaces of the magnetic disks 18 and 23 that face the electromagnets 25 and 28 are planes orthogonal to the central axis L1 of the rotary shaft 10, respectively. The distance between both surfaces of both magnetic disks 18 and 23 is set to be larger by a certain clearance than the distance between both surfaces of both electromagnets 25 and 28 facing the magnetic disks 18 and 23, respectively.

そのため回転軸10の中心軸線L1とハウジング14の中心軸線L2とが一致した図2の状態において両電磁石25、28の電磁コイル27、30に通電して磁力を発生させることにより、回転軸10が、一対のアキシアル磁気軸受17、22により、軸方向に非接触の状態で支持される。
電磁石25、28の筐体26、29は、環の中心の通孔が、ラジアルフォイル軸受31、32の外径と一致する内径を有しており、前記通孔にラジアルフォイル軸受31、32が内嵌されて保持されている。
Therefore, when the central axis L1 of the rotary shaft 10 and the central axis L2 of the housing 14 coincide with each other, the magnetic shafts 27 and 30 of both the electromagnets 25 and 28 are energized to generate a magnetic force. A pair of axial magnetic bearings 17 and 22 are supported in a non-contact state in the axial direction.
The casings 26 and 29 of the electromagnets 25 and 28 have a through hole at the center of the ring having an inner diameter that matches the outer diameter of the radial foil bearings 31 and 32, and the radial foil bearings 31 and 32 are inserted into the through holes. It is fitted and held.

ラジアルフォイル軸受31、32はそれぞれ、回転軸10のうち軸本体16より大径に形成した通孔の内面に、ごく薄い金属箔等からなる1枚の、または2枚以上のフォイルセグメント33、34を取り付けて構成されている。また軸本体16は、外周面が、低速回転時にラジアルフォイル軸受31、32のフォイルセグメント33、34が摺接されると共に回転数が上昇した際に前記フォイルセグメント33、34との間に動圧を発生させる円筒面とされている。   Each of the radial foil bearings 31 and 32 has one or more foil segments 33 and 34 made of a very thin metal foil or the like on the inner surface of a through hole formed in the rotating shaft 10 having a diameter larger than that of the shaft body 16. It is configured with an attached. The shaft body 16 has a dynamic pressure between the outer peripheral surface and the foil segments 33 and 34 when the rotational speed is increased while the foil segments 33 and 34 of the radial foil bearings 31 and 32 are in sliding contact during low-speed rotation. It is a cylindrical surface that generates

前記ラジアルフォイル軸受31、32によれば、回転軸10の回転数が所定値に達するまでは、前記フォイルセグメント33、34が回転軸10の軸本体16の外周面に直接に接触して前記回転軸10を径方向から支持することができる。また回転数が所定値以上に達した後は、前記軸本体16の外周面とフォイルセグメント33、34との間に発生する動圧によって、回転軸10をその全周に亘ってフォイルセグメント33、34の表面から浮上させて非接触の状態で支持することができる。   According to the radial foil bearings 31 and 32, the foil segments 33 and 34 are in direct contact with the outer peripheral surface of the shaft body 16 of the rotating shaft 10 until the rotational speed of the rotating shaft 10 reaches a predetermined value. The shaft 10 can be supported from the radial direction. Further, after the rotational speed reaches a predetermined value or more, due to the dynamic pressure generated between the outer peripheral surface of the shaft body 16 and the foil segments 33, 34, the rotational segment 10 is moved over the entire circumference of the foil segment 33, It can be lifted from the surface of 34 and supported in a non-contact state.

回転軸10の取付部24の機端側の端面は、前記回転軸10の中心軸線L1と直交する平面(センサターゲット面)とされている。また、ハウジング14の前記センサターゲット面と対向する位置には、磁気ディスク18、23と電磁石25、28との間の距離、すなわち回転軸10の軸方向の変位量を検知するための変位センサ42が設けられている。
変位センサ42によって検知された変位量は図示しない変位制御部に入力され、前記変位制御部はこれらの変位量をもとにして、磁気ディスク18、23と電磁石25、28との間の距離が一定となるように、電磁コイル27、30への通電量を制御する。
An end surface on the machine end side of the mounting portion 24 of the rotating shaft 10 is a plane (sensor target surface) orthogonal to the central axis L1 of the rotating shaft 10. A displacement sensor 42 for detecting the distance between the magnetic disks 18, 23 and the electromagnets 25, 28, that is, the amount of displacement in the axial direction of the rotary shaft 10, is located at a position facing the sensor target surface of the housing 14. Is provided.
The displacement amount detected by the displacement sensor 42 is input to a displacement control unit (not shown), and the displacement control unit determines the distance between the magnetic disks 18 and 23 and the electromagnets 25 and 28 based on these displacement amounts. The energization amount to the electromagnetic coils 27 and 30 is controlled so as to be constant.

遠心圧縮機15には、電動モータ13を回転させて前記遠心圧縮機15を動作させることによって、図中に実線の矢印で示すように外部から空気を吸入し、その空気を遠心圧縮機15で圧縮して燃料電池スタック2に供給する空気供給路35が接続されている。
前記空気供給路35は、実施形態では、遠心圧縮機15より空気の流れの上流部36と下流部37とを含み、前記上流部36の途中に、電動モータ38の駆動によって開閉制御されて空気供給路35を流れて燃料電池スタック2に供給される空気の量を調整するバルブ39を備えている。
The centrifugal compressor 15 rotates the electric motor 13 to operate the centrifugal compressor 15, thereby sucking air from the outside as indicated by a solid line arrow in the figure, and the air is sent by the centrifugal compressor 15. An air supply path 35 that is compressed and supplied to the fuel cell stack 2 is connected.
In the embodiment, the air supply path 35 includes an upstream part 36 and a downstream part 37 of the air flow from the centrifugal compressor 15. The air supply path 35 is controlled to be opened and closed by driving an electric motor 38 in the middle of the upstream part 36. A valve 39 that adjusts the amount of air that flows through the supply path 35 and is supplied to the fuel cell stack 2 is provided.

バルブ39は、前記開閉制御によって開量が増加されることで、空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を増加させ、開量が減少されることで、前記空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を減少させる働きをする。
燃料電池用空気供給装置6は制御部40を備えている。制御部40は、電動モータ13に入力する駆動電力の電圧値等を調整することで前記電動モータ13の回転数を制御して、遠心圧縮機15の動作により空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を調整する働きをする。
The opening amount of the valve 39 is increased by the opening / closing control, so that the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the air supply path 35 is increased, and the opening amount is decreased, so that the air supply path It serves to reduce the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through 35.
The fuel cell air supply device 6 includes a control unit 40. The control unit 40 controls the rotational speed of the electric motor 13 by adjusting the voltage value of the driving power input to the electric motor 13 and the fuel cell stack 2 through the air supply path 35 by the operation of the centrifugal compressor 15. It works to adjust the amount of air supplied to the.

また制御部40は、電動モータ38の駆動によりバルブ39の開量を制御して空気供給路35を流れる空気の量を調整することで、前記空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を調整するバルブ制御部41を備えている。
図3は、前記制御部40による電動モータ13およびバルブ39の制御の一例を示すフローチャートである。
Further, the control unit 40 controls the opening amount of the valve 39 by driving the electric motor 38 and adjusts the amount of air flowing through the air supply path 35, thereby supplying the fuel cell stack 2 through the air supply path 35. A valve control unit 41 for adjusting the amount of air is provided.
FIG. 3 is a flowchart showing an example of control of the electric motor 13 and the valve 39 by the control unit 40.

図3を参照して、ステップS1において燃料電池用空気供給装置6の運転開始が選択されると制御部40は、ステップS2においてバルブ制御部41から電動モータ38に制御信号を入力してバルブ39を全開させると共に、ステップS3において電動モータ13に駆動電力を供給してその駆動を開始させる。
次に制御部40はステップS4において、電動モータ13の回転数の上昇により、回転軸10が、動圧によりラジアルフォイル軸受31、32のフォイルセグメント33、34の表面から浮上したか否かを判断する。回転軸10が浮上したか否か、例えば下記何れかの方法により判断することができる。
Referring to FIG. 3, when start of operation of fuel cell air supply device 6 is selected in step S <b> 1, control unit 40 inputs a control signal from valve control unit 41 to electric motor 38 in step S <b> 2 to control valve 39. Is fully opened, and in step S3, driving power is supplied to the electric motor 13 to start driving.
Next, in step S4, the control unit 40 determines whether or not the rotating shaft 10 has floated from the surface of the foil segments 33 and 34 of the radial foil bearings 31 and 32 due to dynamic pressure due to the increase in the rotational speed of the electric motor 13. To do. Whether or not the rotating shaft 10 has floated can be determined, for example, by any of the following methods.

(1) 回転軸10の回転数を検知する回転数センサを設け、前記回転数センサで検知した回転数が、ラジアルフォイル軸受31、32の特性に基づいて設定される回転軸10が浮上する回転数に達したか否かを判断して、前記回転軸10が浮上したか否かを推測する。
(2) 回転軸10の径方向の変位量を検知する変位センサを設け、前記変位センサで検知した回転軸10の径方向の変位量から直接に、回転軸が浮上したか否かを判断する。
(1) A rotation speed sensor for detecting the rotation speed of the rotation shaft 10 is provided, and the rotation speed detected by the rotation speed sensor is set based on the characteristics of the radial foil bearings 31 and 32. It is determined whether or not the number has been reached, and it is estimated whether or not the rotating shaft 10 has floated.
(2) A displacement sensor for detecting the radial displacement amount of the rotary shaft 10 is provided, and it is determined whether the rotary shaft has floated directly from the radial displacement amount of the rotary shaft 10 detected by the displacement sensor. .

ステップS4において回転軸10が浮上したと判断すると制御部40は、ステップS5に進んで、従来同様に電動モータ13の回転数のみを制御する。すなわち制御部40は、空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量が過剰である場合には電動モータ13の回転数を低下させ、不足である場合には電動モータ13の回転数を上昇させ、過剰でも不足でもない場合には電動モータ13の回転数を維持する制御をする。   If it is determined in step S4 that the rotary shaft 10 has floated, the control unit 40 proceeds to step S5 and controls only the rotational speed of the electric motor 13 as in the conventional case. That is, the control unit 40 reduces the rotational speed of the electric motor 13 when the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the air supply path 35 is excessive, and rotates the electric motor 13 when it is insufficient. The number is increased, and if it is neither excessive nor insufficient, control is performed to maintain the rotational speed of the electric motor 13.

空気の量の過不足は、燃料電池スタック2において発生する電力量と、例えば燃料電池自動車の走行状況に応じて求められる電力量とを比較して判断したり、空気供給路35の、特に下流部37に量計を設けて、前記量計で検知した空気の量から直接に判断したりできる。
次いでステップS6において燃料電池用空気供給装置6の運転終了が選択されたか否かを判断し、運転終了が選択された場合はステップS7に進んで電動モータ13の駆動を停止し、燃料電池用空気供給装置6の運転を終了する。
Whether the amount of air is excessive or insufficient is determined by comparing the amount of electric power generated in the fuel cell stack 2 with the amount of electric power required in accordance with, for example, the traveling state of the fuel cell vehicle, The unit 37 can be provided with a meter, and can be directly judged from the amount of air detected by the meter.
Next, in step S6, it is determined whether or not the end of the operation of the fuel cell air supply device 6 is selected. If the end of the operation is selected, the process proceeds to step S7, where the drive of the electric motor 13 is stopped and the fuel cell air is stopped. The operation of the supply device 6 is terminated.

一方、運転終了が選択されていない場合、制御部40はステップS4に戻り、前記ステップS4において回転軸10が浮上していないと判断するか、もしくはステップS6において運転終了が選択されるまでステップS4→S5→S6を繰り返す。
ステップS4において回転軸10が浮上していないと判断すると制御部40は、次にステップS8に進んで電動モータ13の回転数を上昇させる制御を行う。
On the other hand, when the operation end is not selected, the control unit 40 returns to step S4 and determines in step S4 that the rotating shaft 10 is not lifted up or until the operation end is selected in step S6. → S5 → S6 is repeated.
If it is determined in step S4 that the rotary shaft 10 has not floated, the control unit 40 proceeds to step S8 and performs control to increase the rotational speed of the electric motor 13.

次にステップS9に進んで、空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量が不足しているか否かを判断する。
そして空気の量が不足している判断すると制御部40はステップS6に進み、前記ステップS6において燃料電池用空気供給装置6の運転終了が選択されるか、またはステップS4において回転軸10が浮上したと判断するか、またはステップS9において空気の量が不足していないと判断するまでステップS4→S8→S9→S6を繰り返す。
Next, the process proceeds to step S9, where it is determined whether or not the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the air supply path 35 is insufficient.
If it is determined that the amount of air is insufficient, the control unit 40 proceeds to step S6, where the end of the operation of the fuel cell air supply device 6 is selected in step S6, or the rotary shaft 10 has floated in step S4. Or steps S4 → S8 → S9 → S6 are repeated until it is determined in step S9 that the amount of air is not insufficient.

これにより電動モータ13の回転数を上昇させて、できるだけ早期に回転軸10を浮上させることができる。回転軸10が浮上した後は先に説明した通常の回転数制御(ステップS4→S5→S6)に移行する。
またステップS9で空気の量が不足していないと判断すると制御部40は、ステップS10に進んで、バルブ制御部41によりバルブの開き量を減少させる制御をしたのちステップS6に進み、前記ステップS6において燃料電池用空気供給装置6の運転終了が選択されるか、またはステップS4において回転軸10が浮上したと判断するか、またはステップS9において空気の量が不足していると判断するまでステップS4→S8→S9→S10→S6を繰り返す。
Thereby, the rotation speed of the electric motor 13 can be raised and the rotating shaft 10 can be floated as early as possible. After the rotary shaft 10 has surfaced, the routine proceeds to the normal rotational speed control described above (steps S4 → S5 → S6).
If it is determined in step S9 that the amount of air is not insufficient, the control unit 40 proceeds to step S10, performs control to reduce the valve opening amount by the valve control unit 41, and then proceeds to step S6. In step S4, the end of the operation of the fuel cell air supply device 6 is selected in step S4, or it is determined in step S4 that the rotary shaft 10 has floated, or in step S9 it is determined that the amount of air is insufficient. → S8 → S9 → S10 → S6 are repeated.

これにより過剰の空気が供給されないように流量を抑制しながら電動モータ13の回転数を上昇させて、できるだけ早期に回転軸10を浮上させることができる。回転軸10が浮上した後は先に説明した通常の回転数制御(ステップS4→S5→S6)に移行する。
かかる制御を行うことにより、例えば燃料電池自動車の走行時に、ラジアルフォイル軸受31、32のフォイルセグメント33、34が回転軸10の軸本体16の外周面に直接に接触して前記回転軸10を径方向から支持した状態での回転(低速回転)が長く続くのを防止して、前記フォイルセグメント33、34が短期間で摩耗するのを抑制できる。したがって、前記ラジアルフォイル軸受31、32における回転軸10を浮上させるための特性を長期間に亘って良好に維持することが可能となる。
As a result, the rotational speed of the electric motor 13 can be increased while suppressing the flow rate so that excessive air is not supplied, and the rotary shaft 10 can be floated as early as possible. After the rotary shaft 10 has surfaced, the routine proceeds to the normal rotational speed control described above (steps S4 → S5 → S6).
By performing such control, for example, when the fuel cell vehicle is running, the foil segments 33 and 34 of the radial foil bearings 31 and 32 directly contact the outer peripheral surface of the shaft body 16 of the rotating shaft 10 so that the rotating shaft 10 has a diameter. It is possible to prevent the foil segments 33 and 34 from being worn in a short period of time by preventing the rotation (low-speed rotation) in a state of being supported from the direction from continuing for a long time. Therefore, it is possible to satisfactorily maintain the characteristics for floating the rotary shaft 10 in the radial foil bearings 31 and 32 over a long period of time.

この発明の実施形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。なお以下では、図1ないし図3に示した実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成には同様の符号を付して説明を省略する。
図4は、本発明の燃料電池用空気供給装置6の変形例を示す概略断面図である。
Although the description of the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the contents of the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the claims. In the following description, differences from the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 will be mainly described, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a modification of the fuel cell air supply device 6 of the present invention.

図4を参照して、この例の燃料電池用空気供給装置6において、空気供給路35のうち遠心圧縮機15より空気の流れの下流部37は、燃料電池スタック2に達する主路43と前記主路43から分岐してアキュムレータ44に達する分岐路45とを含んでおり、前記分岐路45の途中にバルブ39を備えている。
バルブ39は、開閉制御によって開量が増加されることで、分岐路45を通してアキュムレータ44に送られる空気の量を増加させて、主路43を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を減少させ、開量が減少されることで、前記アキュムレータ44に送られる空気の量を減少させて、主路43を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量を増加させる働きをする。
Referring to FIG. 4, in the fuel cell air supply device 6 of this example, the downstream portion 37 of the air flow from the centrifugal compressor 15 in the air supply path 35 is connected to the main path 43 reaching the fuel cell stack 2 and the above-described portion. A branch path 45 that branches from the main path 43 and reaches the accumulator 44. A valve 39 is provided in the middle of the branch path 45.
The opening amount of the valve 39 is increased by opening / closing control, thereby increasing the amount of air sent to the accumulator 44 through the branch passage 45 and decreasing the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the main passage 43. By reducing the amount of opening, the amount of air sent to the accumulator 44 is decreased, and the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the main path 43 is increased.

図5は、制御部40による電動モータ13およびバルブ39の制御の一例を示すフローチャートである。
図5を参照して、この例では制御部40は、ステップS2、S10におけるバルブ39の制御が異なる以外は図3の例と同様にして各部を制御する。
すなわちステップS2において制御部40は、バルブ制御部から電動モータ38に制御信号を入力してバルブ39を全閉させる制御をする。これにより遠心圧縮機15からアキュムレータ44に至る分岐路45は遮断されて、前記遠心圧縮機15は、主路43を経由して燃料電池スタック2のみと直結される。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of control of the electric motor 13 and the valve 39 by the control unit 40.
Referring to FIG. 5, in this example, control unit 40 controls each unit in the same manner as in the example of FIG. 3 except that control of valve 39 in steps S2 and S10 is different.
That is, in step S <b> 2, the control unit 40 controls the valve 39 to be fully closed by inputting a control signal from the valve control unit to the electric motor 38. As a result, the branch path 45 from the centrifugal compressor 15 to the accumulator 44 is blocked, and the centrifugal compressor 15 is directly connected only to the fuel cell stack 2 via the main path 43.

そしてこの状態でステップS3において電動モータ13を駆動した後、ステップS4において回転軸10が浮上したと判断すると制御部40はステップS4→S5→S6を繰り返して通常の回転数制御を行う。
またステップS4において回転軸10が浮上していないと判断すると制御部40はステップS8に進んで電動モータ13の回転数を上昇させる制御をする。すなわちステップS4→S8→S9→S6を繰り返す。
In this state, after driving the electric motor 13 in step S3, if it is determined in step S4 that the rotary shaft 10 has floated, the control unit 40 repeats steps S4 → S5 → S6 to perform normal rotation speed control.
If it is determined in step S4 that the rotary shaft 10 has not floated, the control unit 40 proceeds to step S8 and performs control to increase the rotation speed of the electric motor 13. That is, steps S4 → S8 → S9 → S6 are repeated.

これにより電動モータ13の回転数を上昇させて、できるだけ早期に回転軸10を浮上させることができる。回転軸10が浮上した後は通常の回転数制御(ステップS4→S5→S6)に移行する。
またステップS9において、空気供給路35を通して燃料電池スタック2に供給される空気の量が不足していないと判断すると制御部40は、ステップS10において、バルブ制御部41によりバルブ39の開量を増加させる制御を行なう。すなわちステップS4→S8→S9→S10→S6を繰り返す。
Thereby, the rotation speed of the electric motor 13 can be raised and the rotating shaft 10 can be floated as early as possible. After the rotary shaft 10 has floated, the routine proceeds to normal rotational speed control (steps S4 → S5 → S6).
If it is determined in step S9 that the amount of air supplied to the fuel cell stack 2 through the air supply path 35 is not insufficient, the control unit 40 increases the opening amount of the valve 39 by the valve control unit 41 in step S10. To control. That is, steps S4 → S8 → S9 → S10 → S6 are repeated.

これにより過剰の空気が燃料電池スタック2に供給されないように空気の一部をアキュムレータ44に送りながら電動モータ13の回転数を上昇させて、できるだけ早期に回転軸10を浮上させることができる。回転軸10が浮上した後は通常の回転数制御(ステップS4→S5→S6)に移行する。
かかる制御を行うことにより、例えば燃料電池自動車の走行時に、ラジアルフォイル軸受31、32のフォイルセグメント33、34が回転軸10の軸本体16の外周面に直接に接触して前記回転軸10を径方向から支持した状態での回転(低速回転)が長く続くのを防止して、前記フォイルセグメント33、34が短期間で摩耗するのを抑制できる。したがって、前記ラジアルフォイル軸受31、32における回転軸10を浮上させるための特性を長期間に亘って良好に維持することが可能となる。
As a result, the rotational speed of the electric motor 13 can be increased while sending a part of the air to the accumulator 44 so that excessive air is not supplied to the fuel cell stack 2, and the rotary shaft 10 can be floated as early as possible. After the rotary shaft 10 has floated, the routine proceeds to normal rotational speed control (steps S4 → S5 → S6).
By performing such control, for example, when the fuel cell vehicle is running, the foil segments 33 and 34 of the radial foil bearings 31 and 32 directly contact the outer peripheral surface of the shaft body 16 of the rotating shaft 10 so that the rotating shaft 10 has a diameter. It is possible to prevent the foil segments 33 and 34 from being worn in a short period of time by preventing the rotation (low-speed rotation) in a state of being supported from the direction from continuing for a long time. Therefore, it is possible to satisfactorily maintain the characteristics for floating the rotary shaft 10 in the radial foil bearings 31 and 32 over a long period of time.

アキュムレータ44に送られ、蓄積された圧縮された空気は、任意の時点で燃料電池スタック2に供給して使用できる。例えば燃料電池自動車の急加速時や高速走行時等、多量の空気を必要とする際に、前記空気を燃料電池スタック2に供給するようにすると、電動モータ13の回転に余裕を持たせて消費電力を減少できる。
その他、本発明の燃料電池用空気供給装置は、車載用以外の用途に用いることができる。
The compressed air accumulated and accumulated in the accumulator 44 can be supplied to the fuel cell stack 2 at any time. For example, when a large amount of air is required, for example, when the fuel cell vehicle is rapidly accelerating or traveling at high speed, if the air is supplied to the fuel cell stack 2, the electric motor 13 is consumed with a margin for rotation. Electric power can be reduced.
In addition, the fuel cell air supply device of the present invention can be used for purposes other than in-vehicle use.

6:燃料電池用空気供給装置、10:回転軸、11:ロータ、12:ステータ、13:電動モータ、15:遠心圧縮機、31、32:ラジアルフォイル軸受、35:空気供給路、36:上流部(上流側)、37:下流部(下流側)、39:バルブ、40:制御部、41:バルブ制御部、43:主路、44:アキュムレータ、45:分岐路。   6: Fuel cell air supply device, 10: Rotating shaft, 11: Rotor, 12: Stator, 13: Electric motor, 15: Centrifugal compressor, 31, 32: Radial foil bearing, 35: Air supply path, 36: Upstream Section (upstream side), 37: downstream section (downstream side), 39: valve, 40: control section, 41: valve control section, 43: main path, 44: accumulator, 45: branch path.

Claims (3)

回転軸、ロータおよびステータを含む電動モータと、
前記電動モータの回転軸の一端に接続され、電動モータの回転によって動作される遠心圧縮機と、
前記回転軸を、電動モータの回転時に生じる動圧によって浮上させて支持する一対のラジアルフォイル軸受と、
前記遠心圧縮機の動作によって外部から空気を吸入し、その空気を遠心圧縮機で圧縮して燃料電池スタックに供給する空気供給路と、
電動モータの回転数を制御して燃料電池スタックに供給する空気の量を調整する制御部とを含み、
前記空気供給路は空気の量を調整するバルブを備え、
前記制御部は、ラジアルフォイル軸受において回転軸が動圧によって浮上する電動モータの回転数を維持しながら、バルブを制御して燃料電池スタックに供給する空気の量を調整するバルブ制御部を有することを特徴とする燃料電池用空気供給装置。
An electric motor including a rotating shaft, a rotor and a stator;
A centrifugal compressor connected to one end of a rotating shaft of the electric motor and operated by rotation of the electric motor;
A pair of radial foil bearings that support the rotating shaft by floating by a dynamic pressure generated when the electric motor rotates;
An air supply path for sucking air from the outside by the operation of the centrifugal compressor, compressing the air with the centrifugal compressor, and supplying the air to the fuel cell stack;
A controller that controls the number of air supplied to the fuel cell stack by controlling the number of revolutions of the electric motor,
The air supply path includes a valve for adjusting the amount of air;
The control unit includes a valve control unit that controls the valve to adjust the amount of air supplied to the fuel cell stack while maintaining the rotation speed of the electric motor in which the rotation shaft of the radial foil bearing floats due to dynamic pressure. An air supply device for a fuel cell.
バルブは、空気供給路のうち遠心圧縮機より空気の流れの上流側に設けられている請求項1記載の燃料電池用空気供給装置。   The air supply device for a fuel cell according to claim 1, wherein the valve is provided in the air supply path on the upstream side of the air flow from the centrifugal compressor. 空気供給路は、遠心圧縮機より空気の流れの下流側において燃料電池スタックに達する主路と前記主路から分岐してアキュムレータに達する分岐路とを含み、バルブは前記分岐路に設けられている請求項1記載の燃料電池用空気供給装置。   The air supply path includes a main path that reaches the fuel cell stack on the downstream side of the air flow from the centrifugal compressor, and a branch path that branches from the main path and reaches the accumulator, and the valve is provided in the branch path. The fuel cell air supply device according to claim 1.
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