JP2022153813A - 圧縮機ユニット - Google Patents

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直史 兼井
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Abstract

Figure 2022153813000001
【課題】外部電源に接続することなく、水素ステーション内の圧縮機ユニットを作動できるようにする。
【解決手段】圧縮機ユニット１は、駆動部２２と、駆動部２２によって駆動されて水素ガスを圧縮する圧縮部２１と、を有する、往復動式の圧縮機本体１２と、駆動部２２の動力源である電動式モータ１４と、吸入側流路４２ａ及び圧縮機本体１２に接続され、水素ガスを流通させる水素供給流路４７と、水素ステーション内に配置され、水素供給流路４７から導かれた水素ガスを用いて電力を生成し、生成した電力を電動式モータ１４に供給する燃料電池モジュール１８と、電動式モータ１４の回転数を調整するインバータ１６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機ユニットに関する。
従来、下記特許文献１に開示されているように、水素ステーション内に設置されて水素ガスを圧縮する圧縮機ユニットが知られている。特許文献１に開示された水素ステーションでは、圧縮機ユニットが、圧縮部と圧縮部を駆動する駆動部とを有する往復動圧縮機で構成されている。
特開２０１５－２３２３８４号公報
圧縮機ユニットの駆動部は、電動モータによって駆動されることが一般的であるため、圧縮機ユニットを作動させるには、系統電源等の外部電源が必要になる。
本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外部電源に接続することなく、水素ステーション内の圧縮機ユニットを作動できるようにすることにある。
本発明は、水素ステーションで用いられ、水素ガスを圧縮する圧縮機ユニットであって、駆動部と、前記駆動部によって駆動されて水素ガスを圧縮する圧縮部と、を有する、往復動式の圧縮機本体と、前記駆動部の動力源である電動式モータと、前記圧縮機本体の吸入側流路または前記圧縮機本体に接続され、水素ガスを流通させる水素供給流路と、水素ステーション内に配置され、前記水素供給流路から導かれた水素ガスを用いて電力を生成し、生成した電力を前記電動式モータに供給する燃料電池モジュールと、前記電動式モータの回転数を調整するインバータと、を備える、圧縮機ユニットである。
本発明では、水素ステーション内に配置された燃料電池モジュールによって生成された電力を電動式モータに供給し、電動式モータを動力源として圧縮機本体の圧縮部が駆動される。このときインバータにより、電動式モータの回転数が調整される。駆動電源として燃料電池モジュールが用いられるため、圧縮機本体を駆動するのに外部電源に接続する必要はない。したがって、外部電源に接続しなくても、水素ステーション内において圧縮機ユニットを作動させることができる。しかも、水素ガスを吸入側流路又は圧縮機本体から燃料電池モジュールに供給するため、電力を生成するために外部から水素ガスを供給する必要がない。
前記圧縮機本体が、前記圧縮部の圧縮室からのリークガスを前記水素供給流路に供給可能な供給路接続部を備えていてもよい。この態様では、圧縮室からのリークガスが水素供給流路に供給されるため、従来捨てられていた水素ガスを発電用に有効活用できる。
前記リークガスの圧力が、前記吸入側流路内の水素ガスの圧力よりも低くてもよい。この場合、前記水素供給流路は、前記吸入側流路に接続されることなく前記圧縮機本体に接続されて、前記圧縮機本体から水素ガスを燃料電池モジュールに供給してもよい。
この態様では、圧縮室からリークした水素ガスの圧力が吸入側流路内の水素ガス圧力よりも低圧であるため、リークガスを吸入側流路に戻すことができない。しかしながら、このリークガスを燃料電池モジュールに供給することにより、リークガスを燃料電池モジュールでの発電として有効活用できる。
前記圧縮機ユニットは、モータによって駆動される冷媒ガス圧縮機を有し、ディスペンサ内の水素ガスを冷却する冷凍機をさらに備えてもよい。この場合、前記燃料電池モジュールを前記冷媒ガス圧縮機の前記モータの電源としても兼用してもよい。
この態様では、冷媒ガス圧縮機の駆動も水素ガスで賄うことができる。したがって、冷媒ガス圧縮機も外部電源に接続する必要がない。
以上説明したように、本発明によれば、外部電源に接続しなくても、水素ステーション内の圧縮機ユニットを作動できる。
実施形態に係る水素ステーションを概略的に示す図である。 前記水素ステーションに設けられた圧縮機ユニットの構成を概略的に示す図である。 前記圧縮機ユニット内の第１圧縮ステージ、第３圧縮ステージ及びディスタンスピースの構成を説明するための図である。 前記圧縮機ユニットに設けられた燃料電池モジュールの構成を説明するための図である。 変形例に係る水素ステーションを概略的に示す図である。 変形例に係る水素ステーションを概略的に示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る水素ステーション１０は、燃料電池車ＦＣＶに水素ガスを補給するための施設である。図１に示すように、水素ステーション１０は、水素ガスを圧縮する圧縮機ユニット１と、圧縮機ユニット１によって圧縮された高圧の水素ガスを貯留する蓄圧器２と、蓄圧器２から高圧の水素ガスの供給を受けて当該高圧の水素ガスを燃料電池車ＦＣＶに供給するディスペンサ３と、を備える。
ディスペンサ３には、冷媒ガス圧縮機４ａを有する蒸気圧縮式の冷凍機４が接続されている。冷媒ガス圧縮機４ａはモータ４ｂによって駆動される。ディスペンサ３は、冷凍機４によって供給される冷熱により、ディスペンサ３内を流れる水素ガスを冷却する冷却部３ａを含む。なお、冷却部３ａは、冷凍機４内を流れる冷媒と水素ガスとを直接的に熱交換させる構成でもよく、あるいは、図略のブライン回路を循環するブラインを介して、冷媒と水素ガスとを熱交換させる構成でもよい。
図２に示すように、圧縮機ユニット１は、圧縮機本体１２と、電動式モータ１４と、インバータ１６と、燃料電池モジュール１８と、を備えている。圧縮機本体１２は、往復動式の圧縮機で構成され、圧縮部２１と、圧縮部２１を駆動する駆動部２２とを備える。駆動部２２は、図略のクランク機構を有している。電動式モータ１４は、電力が供給されることによってクランク機構を駆動する電動式のモータである。インバータ１６は、電動式モータ１４の回転数を調整する。燃料電池モジュール１８は、電動式モータ１４を駆動する電力を生成する。
圧縮部２１は、複数の圧縮ステージ３１，３３，３５を有する第１ブロック部３６と、第１ブロック部３６とは別個に設けられ複数の圧縮ステージ３２，３４を有する第２ブロック部３７と、第１ブロック部３６及び第２ブロック部３７の下に配置されるディスタンスピース３８と、を備えている。第１ブロック部３６には、第１圧縮ステージ３１、第３圧縮ステージ３３及び第５圧縮ステージ３５が設けられ、第２ブロック部３７には、第２圧縮ステージ３２と第４圧縮ステージ３４が設けられている。第１～第５圧縮ステージ３１～３５では、駆動部２２のクランク軸（図示省略）の回転に伴い、第１圧縮ステージ３１～第５圧縮ステージ３５の順に水素ガスが圧縮される。
第１ブロック部３６では、第１圧縮ステージ３１の上に第３圧縮ステージ３３が載置され、第３圧縮ステージ３３の上に第５圧縮ステージ３５が載置されている。第１圧縮ステージ３１、第３圧縮ステージ３３及び第５圧縮ステージ３５は、各ステージのピストンが１つのピストンロッド４０（図３参照）に直列に接続されている、いわゆるタンデム構造の圧縮機として構成されている。一方、第２ブロック部３７では、第２圧縮ステージ３２の上に第４圧縮ステージ３４が載置されている。第２圧縮ステージ３２及び第４圧縮ステージ３４は、各ステージのピストン（図示省略）が１つのピストンロッド（図示省略）に直列に接続されている、いわゆるタンデム構造の圧縮機として構成されている。
圧縮部２１は、吸入側流路４２ａと、第１接続路４２ｂと、第２接続路４２ｃと、第３接続路４２ｄと、第４接続路４２ｅと、排出路４２ｆと、を備えている。吸入側流路４２ａは第１圧縮ステージ３１の吸込口に接続されており、第１圧縮ステージ３１に吸引される水素ガスは吸入側流路４２ａを流れる。第１圧縮ステージ３１に吸入される水素ガスの圧力は、２ＭＰａ未満である。第１接続路４２ｂは、第１圧縮ステージ３１と第２圧縮ステージ３２とを接続し、第１圧縮ステージ３１で圧縮された水素ガスが流れる。第２接続路４２ｃは、第２圧縮ステージ３２と第３圧縮ステージ３３とを接続し、第２圧縮ステージ３２で圧縮された水素ガスが流れる。第３接続路４２ｄは、第３圧縮ステージ３３と第４圧縮ステージ３４とを接続し、第３圧縮ステージ３３で圧縮された水素ガスが流れる。第４接続路４２ｅは、第４圧縮ステージ３４と第５圧縮ステージ３５とを接続し、第４圧縮ステージ３４で圧縮された水素ガスが流れる。排出路４２ｆは、第５圧縮ステージ３５の吐出口に接続され、第５圧縮ステージ３５で圧縮された水素ガスが流れる。吸入側流路４２ａと、第１接続路４２ｂ～第４接続路４２ｅと、排出路４２ｆとは、水素ガスを流通させる流路を形成する。なお、吸入側流路４２ａには、水素ガスを一時的に貯留するタンク（図示省略）が設けられていてもよい。
図３は、ディスタンスピース３８、第１圧縮ステージ３１及び第３圧縮ステージ３３の構成を概略的に示している。第１圧縮ステージ３１は、第１シリンダ３１ａと、第１シリンダ３１ａ内に挿入された第１ピストン３１ｂと、を備える。第１ピストン３１ｂの外周面には複数のピストンリング３１ｃが装着されている。ピストンリング３１ｃにより、第１ピストン３１ｂと第１シリンダ３１ａとの間がシールされている。第１シリンダ３１ａと第１ピストン３１ｂとにより、第１シリンダ３１ａの内部に第１圧縮室３１Ｓが区画されている。第１ピストン３１ｂの作動により、第１圧縮室３１Ｓ内の水素ガスが圧縮される。
第３圧縮ステージ３３は、第１シリンダ３１ａ上に載置された第３シリンダ３３ａと、第３シリンダ３３ａ内に挿入された第３ピストン３３ｂと、を備える。第３シリンダ３３ａと第３ピストン３３ｂとにより、第３シリンダ３３ａの内部に第３圧縮室（図示省略）が形成されている。第３ピストン３３ｂの外周面には複数のピストンリング３３ｃが装着されている。第３ピストン３３ｂの径は第１ピストン３１ｂの径よりも小さい。第１ピストン３１ｂと第３ピストン３３ｂとは接続ロッド４４によって接続されている。
第１シリンダ３１ａはディスタンスピース３８上に配置されている。ディスタンスピース３８は、第１シリンダ３１ａ及び第２圧縮ステージ３２のシリンダと、駆動部２２との間に配置されている。ディスタンスピース３８内には、ピストンリング３１ｃと第１シリンダ３１ａとの間の微小隙間を通過して漏れ出たリークガスを収容する空間３８ａが形成されている。つまり、空間３８ａ内には、最も駆動部２２側に位置する圧縮ステージである第１圧縮ステージ３１の第１圧縮室３１Ｓから漏れ出たリークガスが収容される。このリークガスは後述するように、燃料電池モジュール１８の駆動源として燃料電池モジュール１８に供給される。
ディスタンスピース３８には、空間３８ａ内のリークガスを後述する水素供給流路４７（圧縮ガス流路４７ｂ）に供給する供給路接続部３８ｂが設けられている。つまり、ディスタンスピース３８から水素ガスが回収される。供給路接続部３８ｂは、ディスタンスピース３８における側壁を貫通するとともに圧縮ガス流路４７ｂが接続される貫通孔によって構成されている。なお、ディスタンスピース３８から水素ガスを回収する構成に代え、あるいはディスタンスピース３８から水素ガスを回収する構成とともに、駆動部２２内の水素ガスを回収する構成としてもよい。この場合、油分を除去するための図略フィルター等が設置される。
第１ピストン３１ｂに接続されたピストンロッド４０は、ディスタンスピース３８を上下に貫通している。ピストンロッド４０は、図略のクロスヘッドを介して駆動部２２のクランク軸の回転運動を第１ピストン３１ｂの往復運動に変換する。図示省略するが、第２圧縮ステージ３２にピストンも同様にディスタンスピース３８を上下に貫通している。
図示は省略するが、第５圧縮ステージ３５は、第５シリンダと、第５シリンダの内部に挿入された第５ピストンとを備える。第５シリンダは第３シリンダ３３ａ上に載置されている。第５ピストンと第３ピストン３３ｂとは図略の接続ロッドによって接続されている。また、第２圧縮ステージ３２及び第４圧縮ステージ３４は、シリンダの内部にピストンが配置された構成であり、第２シリンダの上に第４シリンダが載置されている。
図４は燃料電池モジュール１８の概略構成を示している。燃料電池モジュール１８は、筐体５１内にＦＣスタック５２と、昇圧コンバータ５３と、エアコンプレッサ５４と、水素ガスポンプ５５と、冷却水ポンプ５６とが収納された構成である。ＦＣスタック５２は、エアコンプレッサ５４から供給された空気に含まれる酸素と水素ガスポンプ５５から供給された水素ガスとを、高温環境下で反応させることにより、電力を生成する。昇圧コンバータ５３は、ＦＣスタック５２で生成された電力の電圧を昇圧させるように構成されている。冷却水ポンプ５６は、ＦＣスタック５２に冷却水を供給する。
昇圧コンバータ５３で昇圧された電力は燃料電池モジュール１８の出力として、電動式モータ１４及び冷媒ガス圧縮機４ａのモータ４ｂに供給される。すなわち、燃料電池モジュール１８は、電動式モータ１４の電源としても冷媒ガス圧縮機４ａのモータ４ｂの電源としても用いられている。
燃料電池モジュール１８には、水素ガスを流通させる水素供給流路４７が接続されている。すなわち、水素供給流路４７は、燃料電池モジュール１８で発電に用いる水素ガスを供給する流路である。
図２に示すように、水素供給流路４７は、圧縮機本体１２に吸入される水素ガスの流路である吸入側流路４２ａにつながる吸入ガス流路４７ａと、圧縮機本体１２につながる圧縮ガス流路４７ｂと、を含む。吸入ガス流路４７ａには、圧縮機本体１２に導入される前の水素ガスが流通する。例えば、吸入ガス流路４７ａには、２ＭＰａ未満の水素ガスが流通する。圧縮ガス流路４７ｂには、圧縮機本体１２に導入された水素ガスのうち第１圧縮室３１Ｓから漏れ出た水素ガス（リークガス）が流通する。例えば、圧縮ガス流路４７ｂには、２ＭＰａ未満の水素ガスが流通する。水素ガスポンプ５５は、吸入ガス流路４７ａ及び圧縮ガス流路４７ｂから水素ガスを吸い込み、ＦＣスタック５２に向けて水素ガスを送り出す。また水素ガスポンプ５５は、ＦＣスタック５２で使用されなかった水素ガスを吸引して再度ＦＣスタック５２に向けて水素ガスを送り出す。
以上説明したように、本実施形態に係る圧縮機ユニット１では、水素ステーション１０内に配置された燃料電池モジュール１８によって生成された電力が電動式モータ１４に供給され、電動式モータ１４を動力源として圧縮機本体１２の圧縮部２１が駆動される。このときインバータ１６により、電動式モータ１４の回転数が調整される。駆動電源として水素ステーション１０内に配置された燃料電池モジュール１８が用いられるため、圧縮機本体１２を駆動するのに外部電源に接続する必要はない。
仮に、圧縮機ユニット１を外部電源にて駆動しようとすれば、例えば、４００Ｖ １００ｋＷを超えるような受電設備が必要となる場合がある。このような受電設備を新設もしくは増設して対応する場合には、設置スペースや費用が生じる。これに対して、本実施形態では、外部電源に接続しなくても、水素ステーション１０内において圧縮機ユニット１を作動させることができる。しかも、水素ガスを吸入側流路４２ａ又は圧縮機本体１２から燃料電池モジュール１８に供給するため、電力を生成するために外部から水素ガスを供給する必要がない。
また本実施形態では、第１圧縮室３１Ｓからのリークガスが供給路接続部３８ｂを介して圧縮ガス流路４７ｂに供給されるため、従来捨てられていた水素ガスを発電用に有効活用できる。圧縮部２１では、ピストンリング３１ｃの寿命を考慮して、第１圧縮室３１Ｓ内の水素ガスの一部が第１圧縮室３１Ｓから漏れ出ることが許容される設定とされている。このため、リークガスを燃料電池モジュール１８に供給する構成とすることにより、ピストンリング３１ｃの長寿命化を図りつつ、圧縮機ユニット１の駆動電力生成に寄与できる。
また本実施形態では、燃料電池モジュール１８が冷媒ガス圧縮機４ａの電源としても用いられるため、冷媒ガス圧縮機４ａの駆動も水素ガスで賄うことができる。したがって、冷媒ガス圧縮機４ａも外部電源に接続する必要がない。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、前記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で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、水素供給流路４７が吸入ガス流路４７ａと圧縮ガス流路４７ｂとを含む構成としたが、これに限られるものではない。図５に示すように、水素供給流路４７が圧縮ガス流路４７ｂを含まない構成であってもよい。つまり、水素供給流路４７は、吸入側流路４２ａに接続されることなく圧縮機本体１２に接続されて、圧縮機本体１２から水素ガスを燃料電池モジュールに供給する。この場合、水素供給流路４７は、吸入ガス流路４７ａのみを含む構成となるため、燃料電池モジュール１８の水素ガスポンプ５５は、圧縮部２１に吸入される前の水素ガスのみを吸引してＦＣスタック５２に水素ガスを送り出す。
前記実施形態では、吸入側流路４２ａ内の水素ガス圧力が２ＭＰａ未満である構成としたが、これに限られるものではない。例えば、吸入側流路４２ａ内の水素ガス圧力が４０ＭＰａ程度でもよい。すなわち、吸入側流路４２ａでの水素ガス圧力は、２ＭＰａ～４０ＭＰａであればよい。この場合は、図６に示すように、水素供給流路４７は、吸入ガス流路４７ａを含まず、圧縮ガス流路４７ｂのみを含む構成となる。この構成では、水素供給流路４７（圧縮ガス流路４７ｂ）には、水素ガス圧力を燃料電池モジュール１８の仕様に適した圧力に調整するための調整弁４９が設けられる。つまり、圧縮ガス流路４７ｂを流れる水素ガスは調整弁４９によって減圧された上で、燃料電池モジュール１８に供給される。
圧縮機本体１２は、クランク機構を有する構成に代え、例えば、油圧駆動式、イオン液圧駆動式等の往復動式圧縮機で構成されてもよい。また、ダイヤフラム式の往復動式圧縮機で構成されてもよい。特に、油圧駆動式やイオン液圧駆動式では、圧縮室からのリークガスを利用できる。
前記実施形態では、圧縮ガス流路４７ｂがディスタンスピース３８に接続されて、第１圧縮室３１Ｓから漏れ出た水素ガス（リークガス）を燃料電池モジュール１８に供給するが、これに限られない。例えば、圧縮ガス流路４７ｂが接続路４２ｂ～４２ｅに接続されて、接続路４２ｂ～４２ｅ内の水素ガスを燃料電池モジュール１８に供給してもよい。
燃料電池モジュール１８は、水素ステーション１０内で用いられる空圧式計装器用の空気圧縮機（図示省略）のモータ電源としても用いられてもよい。さらに、圧縮機ユニット１の制御器、ガス検知器、照明、エアコンディショナー等の水素ステーション１０内で用いられる機器の電源としても用いられてもよい。
１ ：圧縮機ユニット
３ ：ディスペンサ
４ ：冷凍機
４ａ ：冷媒ガス圧縮機
４ｂ ：モータ
１０ ：水素ステーション
１２ ：圧縮機本体
１４ ：電動式モータ
１６ ：インバータ
１８ ：燃料電池モジュール
２１ ：圧縮部
２２ ：駆動部
３８ｂ ：供給路接続部
４２ａ ：吸入側流路
４７ ：水素供給流路

Claims (4)

  1. 水素ステーションで用いられ、水素ガスを圧縮する圧縮機ユニットであって、
    駆動部と、前記駆動部によって駆動されて水素ガスを圧縮する圧縮部と、を有する、往復動式の圧縮機本体と、
    前記駆動部の動力源である電動式モータと、
    前記圧縮機本体の吸入側流路または前記圧縮機本体に接続され、水素ガスを流通させる水素供給流路と、
    水素ステーション内に配置され、前記水素供給流路から導かれた水素ガスを用いて電力を生成し、生成した電力を前記電動式モータに供給する燃料電池モジュールと、
    前記電動式モータの回転数を調整するインバータと、
    を備える、圧縮機ユニット。
  2. 前記圧縮機本体が、前記圧縮部の圧縮室からのリークガスを前記水素供給流路に供給可能な供給路接続部を備える、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
  3. 前記リークガスの圧力が、前記吸入側流路内の水素ガスの圧力よりも低く、
    前記水素供給流路は、前記吸入側流路に接続されることなく前記圧縮機本体に接続されて、前記圧縮機本体から水素ガスを燃料電池モジュールに供給する、請求項２に記載の圧縮機ユニット。
  4. モータによって駆動される冷媒ガス圧縮機を有し、ディスペンサ内の水素ガスを冷却する冷凍機をさらに備え、
    前記燃料電池モジュールを前記冷媒ガス圧縮機の前記モータの電源としても兼用する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
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