JP2020007989A - 圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排出流路内の水分がモータハウジング内へ流入することを抑制する。【解決手段】圧縮装置は、回転軸と、回転軸に取り付けられたロータと、ロータの外周面に対向して配置されたステータと、を備えるモータと、燃料電池スタックへ供給される空気が流れる第１流路に設けられ、回転軸の一方の端部に接続され、空気を圧縮して燃料電池スタックへ送る第１インペラと、燃料電池スタックから排出される排気が流れる第２流路に設けられ、回転軸の他方の端部に接続された第２インペラと、モータを収容し、回転軸が貫通するモータハウジングと、第１インペラによって圧縮された空気の一部が流れる第３流路と接続され、第２インペラとモータとの間に位置するモータハウジングの壁部の中に設けられた空気室であって、回転軸を囲み回転軸側に開口する空気室と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池スタックへ空気を圧送する圧縮装置に関する。

特許文献１には、燃料電池へ空気を供給する供給流路内に配置されたコンプレッサインペラと、燃料電池から空気を排出する排出流路内に配置されたタービンインペラと、コンプレッサインペラとタービンインペラが取り付けられた回転軸を回転させるモータと、モータを収容するモータハウジングと、を備える遠心式電動コンプレッサが開示されている。

特開２０１３−１９１００４号公報

排出流路内には、燃料電池から排出された水分を含む空気が流れる。排出流路内の水分がモータハウジング内へ流入すると、モータの絶縁性が低下するおそれがあった。

本開示は、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。

本開示の一形態によれば、圧縮装置が提供される。この圧縮装置は、回転軸と、前記回転軸に取り付けられたロータと、前記ロータの外周面に対向して配置されたステータと、を備えるモータと、燃料電池スタックへ供給される空気が流れる第１流路に設けられ、前記回転軸の一方の端部に接続され、空気を圧縮して前記燃料電池スタックへ送る第１インペラと、前記燃料電池スタックから排出される排気が流れる第２流路に設けられ、前記回転軸の他方の端部に接続された第２インペラと、前記モータを収容し、前記回転軸が貫通するモータハウジングと、前記第１インペラによって圧縮された空気の一部が流れる第３流路と接続され、前記第２インペラと前記モータとの間に位置する前記モータハウジングの壁部の中に設けられた空気室であって、前記回転軸を囲み前記回転軸側に開口する空気室と、を備える。

この形態の圧縮装置によれば、燃料電池スタックにおける圧損により、燃料電池スタックへ送られた空気の圧力は低下するので、第２流路を流れる排気の圧力は、第１インペラによって圧縮されて燃料電池スタックへ送られる空気の圧力よりも低い。すなわち、第１インペラによって圧縮されて燃料電池スタックへ送られる空気の圧力は、第２流路を流れる排気の圧力よりも高い。そのため、第１インペラによって圧縮された空気の一部が流れる第３流路と接続された空気室の圧力は、第２流路に設けられた第２インペラ側の圧力よりも高くなる。したがって、燃料電池スタックから排出される排気内の水分が、第２インペラ側からモータハウジング内へ流入することを抑制することができるので、モータの絶縁性が低下することを抑制することができる。

本開示は、上述した圧縮装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、第１流路、第２流路、第３流路、燃料電池スタック及び圧縮装置を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。

第１実施形態における圧縮装置の概略断面図である。 第２実施形態における圧縮装置の概略断面図である。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態における圧縮装置１００の概略断面図である。圧縮装置１００は、いわゆる遠心式電動コンプレッサである。圧縮装置１００は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１５０に、圧縮された空気を供給する。

圧縮装置１００は、第１インペラ１１と、第２インペラ２１と、モータ３０と、モータ３０を収容するモータハウジング３５と、空気室５０と、を備える。圧縮装置１００は、更に、ベアリング４１、４３及びベアリングケース４２、４４を備える。図１には、圧縮装置１００に加え、圧縮装置１００と接続される第１流路１１０及び第２流路１２０と、燃料電池スタック１５０とが示されている。図１には、相互に略直交するＸＹＺ軸が図示されている。Ｙ軸方向は鉛直方向である。Ｚ軸方向は、モータ３０の備える回転軸３１の軸方向である。なお、図１は、圧縮装置１００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。

第１流路１１０は、大気開放口と燃料電池スタック１５０とを接続する。第１流路１１０は、燃料電池スタック１５０へ供給される空気が流れる流路である。第２流路１２０は、燃料電池スタック１５０と大気開放口とを接続する。第２流路１２０は、燃料電池スタック１５０から排出される排気が流れる流路である。燃料電池スタック１５０から排出される排気は、燃料電池スタック１５０における電気化学反応によって生成された水分を含む。第２流路１２０を流れる排気の圧力は、燃料電池スタック１５０での圧損により、第１インペラ１１によって圧縮され、燃料電池スタック１５０へ供給される空気の圧力よりも低くなる。

第１インペラ１１は、第１流路１１０に設けられた回転体である。第１インペラ１１は、モータ３０の有する回転軸３１の一方の端部ｅ１に接続され、モータ３０によって回転される。本実施形態では、第１インペラ１１は、第１流路１１０に形成された第１インペラ収容部１５内に配置されている。第１インペラ１１は、回転することにより第１インペラ収容部１５内で空気を圧縮して、燃料電池スタック１５０へ送り出す。第１インペラ１１によって圧縮された空気の一部は、第１インペラ収容部１５に接続された、後述する第３流路１３０へ送り出される。第１インペラ１１は、コンプレッサホイールとも呼ばれる。

第２インペラ２１は、第２流路１２０に設けられた回転体である。第２インペラ２１は、回転軸３１の他方の端部ｅ２に接続されている。本実施形態では、第２インペラ２１は、第２流路１２０に形成された第２インペラ収容部２５内に配置されている。第２インペラ２１は、第２流路１２０を流れる排気によって回転されることで、回転軸３１を回転させる。第２インペラ２１は、タービンホイールとも呼ばれる。

モータ３０は、第１インペラ１１を回転させる電動機である。モータ３０は、第１インペラ１１と第２インペラ２１の間に位置し、モータハウジング３５に収容されている。モータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１が挿通されたロータ３２と、ロータ３２の外周面に対向して配置され、コイル３４を備えるステータ３３とを有する。ロータ３２の表面には磁石が設けられており、ロータ３２は、回転軸３１と一体に回転する。ステータ３３は、電力を供給されてロータ３２を回転させる。

モータ３０は、図示しない制御装置により通電される。制御装置は、燃料電池スタック１５０への発電要求に応じてモータ３０の回転数を制御することで、圧縮装置１００に燃料電池スタック１５０の発電量に応じた圧力を発生させる。回転数は、モータ３０を収容するモータハウジング３５内に配置された、図示しないレゾルバによって検出される。また、制御装置は、不図示のオイルポンプを制御して、モータハウジング３５内へオイルを供給させる。

ベアリング４１、４３は、回転軸３１を回転可能に支持する。図１に示すように、ベアリング４１はモータハウジング３５内における第１インペラ１１側に配置されており、ベアリング４３はモータハウジング３５内における第２インペラ２１側に配置されている。本実施形態では、ベアリング４１、４３は、複数のボールを備えるボールベアリングであるが、ニードルベアリングなど、他種のベアリングとしてもよい。ベアリングケース４２は、モータハウジング３５内における第１インペラ１１側に配置されており、ベアリングケース４４は、モータハウジング３５内における第２インペラ２１側に配置されている。ベアリングケース４２、４４は、リング形状に形成されており、それぞれ、リング形状の内部にベアリング４１、４３を収容する。

モータハウジング３５は、内部に、モータ３０と、ベアリング４１、４３と、ベアリングケース４２、４４とを収容する筐体である。モータハウジング３５には、回転軸３１が貫通する貫通孔３６が設けられている。図１における−Ｚ方向の貫通孔３６からは、回転軸３１の一方の端部ｅ１が第１インペラ収容部１５に突出している。図１における＋Ｚ方向の貫通孔３６からは、回転軸３１の他方の端部ｅ２が第２インペラ収容部２５に突出している。モータハウジング３５には、貫通孔３６を取り囲み、モータハウジング３５内に向かって突出する環状の凸部３８が形成されている。環状の凸部３８の内側には、ベアリングケース４２、４４が嵌め込まれて固定されている。ベアリングケース４２、４４を収容するモータハウジング３５は、ベアリングハウジングとも呼ばれる。

モータハウジング３５における貫通孔３６の近傍であって、ベアリング４１と第１インペラ１１の間、及び、ベアリング４３と第２インペラ２１の間には、図示しないメカニカルシールが設けられている。メカニカルシールは、回転軸３１と一体に回転する図示しない回転環と、モータハウジング３５に固定された図示しない固定環と、を備えるシール部である。メカニカルシールは、モータハウジング３５内から貫通孔３６を介して第１インペラ１１側へオイルが流出すること、及び、モータハウジング３５内から貫通孔３６を介して第２インペラ２１側へオイルが流出することを抑制する。

モータハウジング３５を形成する壁部３７のうち、第２インペラ２１とモータ３０との間における壁部３７の中には、空気室５０が設けられている。空気室５０は、回転軸３１の径方向において回転軸３１を囲み、回転軸３１側に開口した空間である。言い換えると、空気室５０は、第２インペラ２１側に位置する貫通孔３６と接続された空間である。空気室５０は、第１インペラ収容部１５に接続された第３流路１３０と接続されている。空気室５０には、第３流路１３０を介して、第１インペラ１１により圧縮された空気の一部が供給される。

この形態によれば、燃料電池スタック１５０における圧損により、燃料電池スタック１５０へ送られた空気の圧力は低下するので、第２流路１２０を流れる排気の圧力は、第１インペラ１１によって圧縮されて燃料電池スタック１５０へ送られる空気の圧力よりも低い。すなわち、第１インペラ１１によって圧縮されて燃料電池スタック１５０へ送られる空気の圧力は、第２流路１２０を流れる排気の圧力よりも高い。そのため、第１インペラ１１によって圧縮された空気の一部が流れる第３流路１３０と接続された空気室５０の圧力は、第２流路１２０に設けられた第２インペラ２１側の圧力よりも高くなる。したがって、燃料電池スタック１５０から排出される排気内の水分が、第２インペラ２１側からモータハウジング３５内へ流入することを抑制することができるので、モータ３０の絶縁性が低下することを抑制することができる。また、モータハウジング３５内のベアリング４１、４３等の各部品が水分によって劣化することを、抑制することができる。

この形態によれば、空気室５０の圧力は、第２流路１２０に設けられた第２インペラ２１側の圧力よりも高くなるので、モータハウジング３５内のオイルが第２インペラ２１側へ流出することを抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態
図２は、第２実施形態における圧縮装置１００ａの概略断面図である。図２及び以降の説明では、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を用い、説明を省略する。本実施形態における圧縮装置１００ａが第１実施形態における圧縮装置１００と異なる点は、空気室５０ａにレゾルバ６０が配置されている点である。

レゾルバ６０は、それぞれコイルが巻回された固定子６１と回転子６２とを備える。固定子６１は、空気室５０ａ内に配置されている。回転子６２は、空気室５０ａの固定子６１が配置された領域よりも内側の領域に配置され、かつ、回転軸３１に取り付けられている。すなわち、回転子６２は、一部分が第２インペラ側の貫通孔３６に位置し、他の部分が空気室５０ａ内に位置するように配置されている。回転子６２は回転軸３１とともに回転するが、固定子６１は回転しない。レゾルバ６０は、回転子６２と固定子６１の相対的な位置の変化をコイルの出力電圧の変化によって検出することで、回転軸３１の回転角度を検出する。検出された回転角度から、モータ３０の回転数を算出することができる。

この形態によれば、圧縮装置１００ａは、第３流路１３０と接続された空気室５０ａを備えるため、第１実施形態と同様の効果を奏する。更に、圧縮装置１００ａの空気室５０ａには、レゾルバ６０が配置されているので、モータハウジング３５内にレゾルバ６０を配置する場合と比較して、モータハウジング３５内を小さく構成することができる。そのため、圧縮装置１００ａを小型化することができる。

本開示は、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、他の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、組合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。

１１…第１インペラ、１５…第１インペラ収容部、２１…第２インペラ、２５…第２インペラ収容部、３０…モータ、３１…回転軸、３２…ロータ、３３…ステータ、３４…コイル、３５…モータハウジング、３６…貫通孔、３７…壁部、３８…凸部、４１、４３…ベアリング、４２、４４…ベアリングケース、５０、５０ａ…空気室、６０…レゾルバ、６１…固定子、６２…回転子、１００、１００ａ…圧縮装置、１１０…第１流路、１２０…第２流路、１３０…第３流路、１５０…燃料電池スタック、ｅ１、ｅ２…端部

Claims (1)

1. 圧縮装置であって、
   回転軸と、前記回転軸に取り付けられたロータと、前記ロータの外周面に対向して配置されたステータと、を備えるモータと、
   燃料電池スタックへ供給される空気が流れる第１流路に設けられ、前記回転軸の一方の端部に接続され、空気を圧縮して前記燃料電池スタックへ送る第１インペラと、
   前記燃料電池スタックから排出される排気が流れる第２流路に設けられ、前記回転軸の他方の端部に接続された第２インペラと、
   前記モータを収容し、前記回転軸が貫通するモータハウジングと、
   前記第１インペラによって圧縮された空気の一部が流れる第３流路と接続され、前記第２インペラと前記モータとの間に位置する前記モータハウジングの壁部の中に設けられた空気室であって、前記回転軸を囲み前記回転軸側に開口する空気室と、
   を備える、圧縮装置。

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