JP2019085916A - コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電生成水がコンプレッサのモータ収容部に浸入することを抑制する。【解決手段】燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサは、回転シャフトを有するモータを収容するモータ収容部と、回転シャフトの一端に配置されている第１回転体を収容する第１回転体収容部と、回転シャフトの他端に配置されている第２回転体を収容する第２回転体収容部と、を備える。回転シャフトの一端は、モータ収容部の第１開口部と第１回転体収容部の第１貫通孔とを介して第１回転体収容部の内部に延び、回転シャフトの他端は、モータ収容部の第２開口部と第２回転体収容部の第２貫通孔とを介して第２回転体収容部の内部に延びている。第２回転体収容部の第２貫通孔の内周面、又は、第２貫通孔に囲まれた回転シャフトの外周面には、回転シャフトの回転時に空気をモータ収容部側から第２回転体収容部側へ導く溝状部が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサに関する。

デュアルステージ圧縮機は、シャフトを有するモータと、モータを収容するハウジング（モータハウジング）とを有する。モータのシャフトは、空気軸受によって支持されている。空気軸受は、冷却用空気によって冷却される。冷却用空気がモータハウジングの外部に漏れることを抑制するために、モータハウジングの軸受用開口部には、密閉リングが設けられている。密閉リングは、モータハウジングの入口に固定された密閉プレートに固定されている。密閉リングの外縁は、密閉プレートと密接してモータハウジングをシールする。密閉リングの内縁は、モータのシャフトに固定されてシャフトとともに回転するシールキャリアの外周に設けられた密閉溝に挟まれている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１５５６９６号公報

上述従来技術では、密閉リングは密閉プレートに固定されているので、シールキャリアがシャフトとともに回転すると、シールキャリアの密閉溝と密閉シールとの間に摩擦が生じる。本発明の発明者は、燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサのモータハウジングに発電生成水が浸入することを抑制するために、前述の密閉リング及びシールキャリアを利用すると、密閉溝と密閉シールとの間に介在する流体が水であるので、潤滑性に欠けるため、密閉シールが焼き付く恐れがあることを見出した。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが提供される。このコンプレッサは、回転シャフトを有するモータを収容するモータ収容部であって、第１開口部を有する第１壁部と、第２開口部を有し、前記第１壁部と対向する第２壁部とを有するモータ収容部と、前記回転シャフトの一端に配置されている第１回転体を収容し、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給する第１回転体収容部であって、前記第１壁部と隣接し、第１貫通孔が形成されている壁部を有する第１回転体収容部と、前記回転シャフトの他端に配置されている第２回転体を収容し、前記燃料電池スタックからのカソード排ガスが導入される第２回転体収容部であって、前記第２壁部と隣接し、第２貫通孔が形成されている壁部を有する第２回転体収容部と、を備える。前記回転シャフトの前記一端は、前記モータ収容部の前記第１開口部と前記第１回転体収容部の前記第１貫通孔とを介して前記第１回転体収容部の内部に延び、前記回転シャフトの前記他端は、前記モータ収容部の前記第２開口部と前記第２回転体収容部の前記第２貫通孔とを介して前記第２回転体収容部の内部に延びている。前記第２回転体収容部の前記第２貫通孔の内周面、又は、前記第２貫通孔に囲まれた前記回転シャフトの外周面には、前記回転シャフトの回転時に空気を前記モータ収容部側から前記第２回転体収容部側へ導く溝状部が設けられている。
この形態のコンプレッサによれば、回転シャフトの回転時に溝状部によってモータ収容部側の圧力が第２回転体収容部内の圧力よりも大きく高められるので、シール部材を設けることなく、第２回転体収容部内に取り込まれるカソード排ガスに含まれる発電生成水がモータ収容部に浸入することを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池用カソードガス供給システム等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態におけるコンプレッサの縦断面図。 第２回転体と溝状部の拡大側面図。 第２回転体と溝状部の拡大正面図。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池スタック２０にカソードガスを供給するコンプレッサ１０の縦断面図である。燃料電池スタック２０は、例えばカソードガスとアノードガスを利用して発電する固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池スタック２０は、例えば、カソードガス供給排出系や、アノードガス供給系、冷却媒体循環系、制御装置等とともに燃料電池システムを構成し、燃料電池車両の動力源として機能する。コンプレッサ１０には、カソードガス吸入管３１と、カソードガス供給管３２と、カソードガス還流管３４と、カソードガス排出管３５とが接続されている。カソードガス吸入管３１は、外部からカソードガスをコンプレッサ１０に導く配管である。カソードガス供給管３２は、コンプレッサ１０から燃料電池スタック２０にカソードガスを導く配管である。カソードガス還流管３４は、燃料電池スタック２０から排出されるカソード排ガスをコンプレッサ１０に導く配管である。カソードガス排出管３５は、コンプレッサ１０を通過したカソード排ガスをコンプレッサ１０の外部に導く配管である。なお、図１は、コンプレッサ１０の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。

コンプレッサ１０は、モータ部１６０と、モータ部１６０の一の側と隣接する第１回転体部１２０と、モータ部１６０の他の側と隣接する第２回転体部１８０と、を備える。モータ部１６０は、モータ１３０と、モータ収容部１５０と、シール部１７０ａ，１７０ｂと、回転角度センサ１９０とを有する。

モータ１３０は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。モータ１３０は、回転シャフト１３４と、回転シャフト１３４と一体に形成されたロータ１３３と、コイル１３１を備えるステータ１３２とを有する。ロータ１３３の表面には、図示しない磁石が設けられている。モータ１３０が運転する際には、ロータ１３３が駆動されて回転し、これに伴い回転シャフト１３４が回転する。なお、モータ１３０の回転数や回転シャフト１３４の回転方向等は、図示しない制御装置により通電制御される。制御装置は、回転シャフト１３４が予め定めた一の方向に回転するように回転シャフト１３４を制御する。「予め定めた一の方向」は、カソードガスを燃料電池スタック２０に供給する際の回転シャフト１３４の回転方向である。以下では、「予め定めた一の方向」を「正方向」と呼び、「予め定めた一の方向」と逆の方向を「負方向」と呼ぶ。

モータ収容部１５０は、モータ１３０を収容する筐体である。モータ収容部１５０は、ベアリング収容部１４０ａ，１４０ｂと、ベアリング１４１ａ，１４１ｂと、オイル冷却部１１０と、オイルポンプ１１２と、オイル供給流路１５３と、オイル溜まり１１４と、を備える。モータ収容部１５０は、第１壁部１５４ａと、第１壁部１５４ａと対向する第２壁部１５４ｂとを有する。第１壁部１５４ａには、第１開口部１５１ａが形成されており、第２壁部１５４ｂには、第２開口部１５１ｂが形成されている。第１開口部１５１ａと第２開口部１５１ｂのそれぞれには、ベアリング収容部１４０ａ，１４０ｂが嵌入されて固定されている。ベアリング収容部１４０ａ，１４０ｂのそれぞれは、ベアリング１４１ａ，１４１ｂを収容して支持する。これにより、ベアリング１４１ａ，１４１ｂは、モータ１３０の回転シャフト１３４を回転自在に支持する。ベアリング１４１ａ，１４１ｂは、例えば、複数のボールを備えるボールベアリングを採用可能である。なお、回転シャフト１３４の一端１３４ａは、モータ収容部１５０の第１開口部１５１ａを介して第１回転体部１２０の内部に延び、回転シャフト１３４の他端１３４ｂは、第２開口部１５１ｂを介して第２回転体部１８０の内部に延びている。

オイルポンプ１１２は、オイル溜まり１１４からオイルを吸い上げてオイル冷却部１１０へ供給する。オイル冷却部１１０は、オイルポンプ１１２から供給されたオイルを冷却する。オイル供給流路１５３は、オイル冷却部１１０で冷却されたオイルをモータ収容部１５０の内部に供給する。オイル供給流路１５３は、複数のオイル供給流路１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、１５３ｄに分岐する。オイル供給流路１５３ａ、１５３ｂは、モータ１３０の鉛直上方に設けられている。オイル供給流路１５３ａ、１５３ｂから流出したオイルは、モータを冷却する。オイル供給流路１５３ｃ，１５３ｄはそれぞれ、ベアリング収容部１４０ａ，１４０ｂの鉛直上方に設けられている。オイル供給流路１５３ｃから流出したオイルは、二経路に分かれる。一経路は、ベアリング収容部１４０ａに形成された隙間を介してベアリング１４１ａに流入してベアリング１４１ａを冷却し、ベアリング１４１ａの動作を潤滑にする。他の一経路は、シール部１７０ａに流入してシール部１７０ａを冷却し、シール部１７０ａの動作を潤滑にする。１５３ｄから流出したオイルも同様に、ベアリング１４１ｂ及びシール部１７０ｂを冷却し、ベアリング１４１ｂ及びシール部１７０ｂの動作を潤滑にする。

シール部１７０ａ，１７０ｂは、モータ収容部１５０内のオイルを外部に漏らさないようにシールするためのシール部材である。シール部１７０ａ，１７０ｂはそれぞれ、モータ収容部１５０の第１開口部１５１ａと第２開口部１５１ｂに設けられている。シール部１７０ａは、シールリング１７２ａと、シールキャリア１７４ａとを有する。シールリング１７２ａは、自身の径方向の膨張力によって第１開口部１５１ａに嵌入して保持されている。シールリング１７２ａの外周面は、第１開口部１５１ａの内周面と密接して第１開口部１５１ａをシールする。シールリング１７２ａの内縁部は、シールキャリア１７４ａの外周に形成された凹部Ｇ１に挟まれている。シールキャリア１７４ａは、モータ１３０の回転シャフト１３４に固定されている。回転シャフト１３４が回転すると、シールキャリア１７４ａは、回転シャフト１３４とともに回転し、シールリング１７２ａと摺り合う。シール部１７０ｂも同様に、シールリング１７２ｂとシールキャリア１７４ｂとを有し、シールリング１７２ｂがシールキャリア１７４ｂに形成された凹部Ｇ２に挟まれ、回転シャフト１３４が回転するとシールリング１７２ｂとシールキャリア１７４ｂとが摺り合う。なお、シールリング１７２ａ，１７２ｂは、例えば、ゴムや樹脂等の軟質シールや、金属シール等を採用可能である。また、シール部１７０ａ，１７０ｂにはオイルが供給されているので、シールリング１７２ａ，１７２ｂとシールキャリア１７４ａ，１７４ｂとの摩擦を軽減させることができ、シールリング１７２ａ，１７２ｂが焼き付くことを抑制できる。なお、モータ収容部１５０には図示しない調圧弁が設けられており、この調圧弁によってモータ収容部１５０の内部は大気圧に維持されている。

回転角度センサ１９０は、シール部１７０ｂと隣接して、モータ１３０の回転シャフト１３４に設けられている。回転角度センサ１９０は、回転シャフト１３４の回転角度を検出して、前述した制御装置に供給する。制御装置は、回転角度センサ１９０が、回転シャフト１３４が正方向に回転する場合に検出する角度と逆の角度を検出した場合、すなわち、回転シャフト１３４が負方向に回転した場合には、モータ１３０の運転を停止する。

第１回転体部１２０は、第１回転体１２１と、第１回転体１２１を収容する第１回転体収容部１２２とを有する。第１回転体収容部１２２は、モータ収容部１５０の第１壁部１５４ａと隣接する壁部１２３を有する。壁部１２３には、第１貫通孔１２３ｈが形成されている。モータ１３０の回転シャフト１３４の一端１３４ａは、第１貫通孔１２３ｈを介して第１回転体収容部１２２の内部に延びている。回転シャフト１３４の一端１３４ａには、第１回転体１２１が配置されている。第１回転体１２１は、回転シャフト１３４の回転とともに回転して、カソードガス吸入管３１を介して供給されるカソードガスを第１回転体収容部１２２で圧縮する。第１回転体収容部１２２は、第１回転体１２１が回転することによってカソードガスをカソードガス供給管３２を介して燃料電池スタック２０に供給する。第１回転体１２１は、例えば、インペラを採用可能である。

第２回転体部１８０は、第２回転体１８１と、第２回転体１８１を収容する第２回転体収容部１８２とを有する。第２回転体収容部１８２は、カソードガス還流管３４を介して燃料電池スタック２０から排出されるカソード排ガスが導入される。第２回転体収容部１８２は、モータ収容部１５０の第２壁部１５４ｂと隣接する壁部１８３を有する。壁部１８３には、第２貫通孔１８３ｈが形成されている。モータ１３０の回転シャフト１３４の他端１３４ｂは、第２貫通孔１８３ｈを介して第２回転体収容部１８２の内部に延びている。回転シャフト１３４の他端１３４ｂには、第２回転体１８１が配置されている。第２回転体１８１は、第２回転体収容部１８２に取り込まれるカソード排ガスによって駆動されて回転シャフト１３４の回転を補助し、すなわち、第１回転体１２１の回転を補助する。第２回転体１８１を通過したカソード排ガスは、カソードガス排出管３５に排出される。第２回転体１８１は、例えば、タービンを採用可能である。なお、第２回転体収容部１８２の第２貫通孔１８３ｈに囲まれた回転シャフト１３４の部分には、複数の溝状部１８４が設けられている。溝状部１８４の詳細は後述する。また、溝状部１８４とシール部１７０ｂとの間には、空間Ｓが形成されている。空間Ｓには、第１回転体１２１によって圧縮されたカソードガスが分流管３７を介して供給される。こうすれば、空間Ｓの圧力は第２回転体収容部１８２内の圧力よりも大きいので、第２回転体収容部１８２内に取り込まれるカソード排ガスに含まれる発電生成水がモータ収容部１５０に浸入することを抑制できる。但し、空間Ｓに圧縮されたカソードガスを供給しないようにしてもよい。

図２は、第２回転体１８１と溝状部１８４の拡大側面図である。図示の便宜上、第２回転体収容部１８２の壁部１８３も描かれている。図２の例では、第２回転体１８１は、円盤部１８１ａと、円盤部１８１ａの略中央に設けられた円柱部１８１ｃと、複数のベーン１８１ｂとを有する。複数のベーン１８１ｂは、円盤部１８１ａに連なり、円柱部１８１ｃの外周面に等間隔に形成されている。複数のベーン１８１ｂは、例えばそれぞれ同一の形状を成し、弧状湾曲面を有する層状体によって構成されている。第２回転体１８１は、カソード排ガスの駆動により、矢印ＡＲ１の方向に回転する。

第２回転体収容部１８２の第２貫通孔１８３ｈに囲まれた回転シャフト１３４の外周面１３４ｓには、複数の溝状部１８４が設けられている。溝状部１８４は、螺旋状に形成されており、回転シャフト１３４が正方向に回転すると、回転シャフト１３４周りの空気が溝状部１８４に沿ってモータ収容部１５０側から第２回転体収容部１８２側へと渦状に回旋しながら流れる。図２の例では、回転シャフト１３４が矢印ＡＲ１の方向に回転すると、回転シャフト１３４周りの空気が溝状部１８４によってモータ収容部１５０側から第２回転体収容部１８２側へと導かれる。こうすれば、モータ収容部１５０側の圧力は第２回転体収容部１８２内の圧力よりも大きいので、第２回転体収容部１８２内に取り込まれるカソード排ガスに含まれる発電生成水がモータ収容部１５０に浸入することを抑制できる。なお、前述した制御装置は、発電生成水がカソードガス還流管３４（図１）に排出された際に意図的に回転シャフト１３４を回転させるようにすることが好ましい。回転シャフト１３４の回転数は、回転シャフト１３４の回転により第２回転体収容部１８２内とモータ収容部１５０側との間に生じた差圧によって発電生成水がモータ収容部１５０に浸入できない程度に設定される。また、制御装置は、回転シャフト１３４の回転を停止した際には、分流管３７を介して第１回転体１２１によって圧縮されたカソードガスを空間Ｓに導入することが好ましい。こうすれば、発電生成水がモータ収容部１５０に浸入することを確実に抑制できる。

なお、溝状部１８４は、一つのみ設けてもよい。また、回転シャフト１３４に溝状部１８４を設ける代わりに、第２貫通孔１８３ｈの内周面１８３ｓに、回転シャフト１３４の回転時に空気をモータ収容部１５０側から第２回転体収容部１８２側へ導く溝状部を設けてもよい。なお、溝状部１８４と第２貫通孔１８３ｈの内周面１８３ｓの面粗さを増加することが好ましい。こうすれば、発電生成水がモータ収容部１５０に浸入することを更に抑制できる。

図３は、第２回転体１８１の拡大正面図と、第２回転体１８１側から見た溝状部１８４の拡大正面図である。第２回転体１８１と回転シャフト１３４が矢印ＡＲ１の方向に回転すると、回転シャフト１３４周りの空気が矢印ＡＲ２の方向、すなわち、モータ収容部１５０側から第２回転体収容部１８２側へ向かう方向に流れる。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、回転シャフト１３４の回転時に溝状部１８４によってモータ収容部１５０側の圧力が第２回転体収容部１８２内の圧力よりも大きく高められるので、シール部材を設けることなく、第２回転体収容部１８２内に取り込まれるカソード排ガスに含まれる発電生成水がモータ収容部１５０に浸入することを抑制できる。また、第２回転体収容部１８２にシール部材を設ける必要がないので、摩擦損失を低減できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…コンプレッサ
２０…燃料電池スタック
３１…カソードガス吸入管
３２…カソードガス供給管
３４…カソードガス還流管
３５…カソードガス排出管
３７…分流管
１１０…オイル冷却部
１１２…オイルポンプ
１１４…オイル溜まり
１２０…第１回転体部
１２１…第１回転体
１２２…第１回転体収容部
１２３…壁部
１２３ｈ…第１貫通孔
１３０…モータ
１３１…コイル
１３２…ステータ
１３３…ロータ
１３４…回転シャフト
１３４ａ…一端
１３４ｂ…他端
１３４ｓ…外周面
１４０ａ，１４０ｂ…ベアリング収容部
１４１ａ，１４１ｂ…ベアリング
１５０…モータ収容部
１５１ａ…第１開口部
１５１ｂ…第２開口部
１５３，１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄ…オイル供給流路
１５４ａ…第１壁部
１５４ｂ…第２壁部
１６０…モータ部
１７０ａ，１７０ｂ…シール部
１７２ａ，１７２ｂ…シールリング
１７４ａ，１７４ｂ…シールキャリア
１８０…第２回転体部
１８１…第２回転体
１８１ａ…円盤部
１８１ｂ…ベーン
１８１ｃ…円柱部
１８２…第２回転体収容部
１８３…壁部
１８３ｈ…第２貫通孔
１８３ｓ…内周面
１８４…溝状部
１９０…回転角度センサ
ＡＲ１…矢印
ＡＲ２…矢印
Ｇ１…凹部
Ｇ２…凹部
Ｓ…空間

Claims (1)

1. 燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサであって、
   回転シャフトを有するモータを収容するモータ収容部であって、第１開口部を有する第１壁部と、第２開口部を有し、前記第１壁部と対向する第２壁部とを有するモータ収容部と、
   前記回転シャフトの一端に配置されている第１回転体を収容し、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給する第１回転体収容部であって、前記第１壁部と隣接し、第１貫通孔が形成されている壁部を有する第１回転体収容部と、
   前記回転シャフトの他端に配置されている第２回転体を収容し、前記燃料電池スタックからのカソード排ガスが導入される第２回転体収容部であって、前記第２壁部と隣接し、第２貫通孔が形成されている壁部を有する第２回転体収容部と、
   を備え、
   前記回転シャフトの前記一端は、前記モータ収容部の前記第１開口部と前記第１回転体収容部の前記第１貫通孔とを介して前記第１回転体収容部の内部に延び、
   前記回転シャフトの前記他端は、前記モータ収容部の前記第２開口部と前記第２回転体収容部の前記第２貫通孔とを介して前記第２回転体収容部の内部に延び、
   前記第２回転体収容部の前記第２貫通孔の内周面、又は、前記第２貫通孔に囲まれた前記回転シャフトの外周面には、前記回転シャフトの回転時に空気を前記モータ収容部側から前記第２回転体収容部側へ導く溝状部が設けられている、
   コンプレッサ。

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