JP4974875B2 - 圧縮機の固定構造体 - Google Patents

Description

本発明は、気液二相流体用の圧縮機の固定構造体に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムには、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路に、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料オフガス循環路を介して戻すことで、燃料オフガスに含まれる燃料ガス成分を有効利用するものがあり、燃料オフガス循環路には、燃料オフガスを吸引して吐出する燃料オフガス循環ポンプが設けられることになる。

ところで、電気化学反応によって燃料電池のカソード側で発生した水分が電解質膜を介してアノード側に浸透し、その結果、燃料オフガスには水分が含まれることになる。このため、上記した燃料オフガス循環ポンプとして、気液二相流体用の圧縮機が用いられることになる。この圧縮機は、電動モータと、電動モータに並設されてこの電動モータにより駆動される圧縮機構とを並設した構成のものであり、加工性等の考慮から電動モータのモータ収容ケースに設けられた固定部において、取付対象に固定されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６２６７１号公報

ところで、圧縮機においては、上記の例のように、圧縮する流体に水分が含まれると、この水分が結露して凍結した場合に、圧縮機構の動作に影響を及ぼす可能性がある。

そこで、本発明は、結露の発生を抑制できる圧縮機の固定構造体を提供することを目的とする。

本発明の圧縮機の固定構造体は、電動モータと、該電動モータに並設されて該電動モータにより駆動される圧縮機構とを有する気液二相流体用の圧縮機の固定構造体であって、前記電動モータのモータ収容ケースと、前記圧縮機構の圧縮機構収容ケースとが分割して構成され、取付対象に固定される固定部を前記圧縮機構収容ケースに設けたものである。

かかる構成によれば、取付対象に固定される固定部を圧縮機構収容ケースに設けたため、圧縮機構収容ケースと取付対象とが一体となり、圧縮機構収容ケースを含む圧縮機構の熱容量が、擬似的に取付対象の分も合わせた熱容量になって大きくなる。よって、圧縮機構の温度低下を抑制し、結露の発生を抑制することができる。

この場合、前記取付対象を燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電するセルが複数積層されてなる燃料電池のセル積層方向端部に配置されたエンドプレートとし、前記圧縮機を前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料電池に循環させる燃料オフガス循環ポンプとするのが良い。

かかる構成によれば、圧縮機構収容ケースと燃料電池のエンドプレートとが一体となるため、熱容量が大きくなって圧縮機構の結露の発生を抑制することができる。その上で、仮に結露が発生し圧縮機構が凍結することがあっても、起動時には燃料電池の温度上昇によりエンドプレートからの伝熱で、この凍結を早期に解除することができる。よって、圧縮機の低温起動性が向上する。

また、前記圧縮機構収容ケースは、前記固定部が複数設けられている場合に、これら固定部の前記エンドプレートに面接触する固定面の間に、前記エンドプレートに面接触する接触面積拡大部を設けるのが良い。

かかる構成によれば、固定面の間の接触面積拡大部によって、圧縮機構収容ケースとエンドプレートとの接触面積を拡大することができるため、圧縮機構の温度低下をさらに抑制できる。また、接触面積の拡大によってエンドプレートの剛性を圧縮機構収容ケースが高めることになるため、仮にエンドプレートに反りを発生させるような外力が作用していたとしても、当該反りに対して圧縮機構収容ケースの密着性を維持することができる。

また、前記圧縮機構収容ケースが前記モータ収容ケースよりも高剛性となるようにこれら圧縮機構収容ケース及びモータ収容ケースの材質が設定されているのが良い。

本発明の圧縮機の固定構造体によれば、結露の発生を抑制することができる。

まず、本発明に係る圧縮機の固定構造体の一実施形態が燃料電池に適用された燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路（燃料オフガス循環路）７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する圧縮機である水素ポンプ（燃料オフガス循環ポンプ）Ｈ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、固体高分子型のもので、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

加湿器Ａ２１は、コンプレッサＡ３から空気供給路７１を通じて燃料電池２０に供給される空気と、燃料電池２０から排気路７２を通じて外部に排出される空気オフガスとの間で水分交換を行って空気に水分を加える。加湿器Ａ２１は、加湿モジュールと、加湿モジュールを収容するケーシングとを備えている。

燃料電池２０は、図２に示すように、基本単位であるセル２が複数積層されたスタック本体３と、スタック本体３を支持するフレーム５とを備えている。セル２の積層方向に沿うスタック本体３の一端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置されている。さらにその外側には、フレーム５を構成するエンドプレート９が配置されている。

また、スタック本体３の他端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート１３が配置されている。各ターミナルプレート７には、出力端子６が設けられている。プレッシャプレート１３の外側には、フレーム５を構成するエンドプレート１０が、プレッシャプレート１３から離間して配置されており、プレッシャプレート１３とエンドプレート１０との間には、バネ部材１４が介装されている。

スタック本体３の両側に配置された２枚のエンドプレート９，１０の間には、セル２の積層方向に沿って複数のテンションプレート１１が架設されている。各テンションプレート１１は、両方の端部を各エンドプレート９，１０にボルト１２によってそれぞれ固定されており、２枚のエンドプレート９，１０とともにフレーム５を構成している。

２枚のエンドプレート９，１０が複数のテンションプレート１１を介して連結される際、バネ部材１４には圧縮力が導入されており、バネ部材１４はスタック本体３に対してセル２の積層方向に付勢力を作用させている。複数のセル２は、この付勢力によって締結されている。バネ部材１４の付勢力に対する反力はテンションプレート１１が負担しており、これによってテンションプレート１１には張力が作用している。

そして、燃料電池２０の一方のエンドプレート９の外側に、圧縮機である水素ポンプＨ５０が取り付けられている。言い換えれば、水素ポンプＨ５０の取付対象がエンドプレート９となっている。

水素ポンプＨ５０は、気液二相流体用の圧縮機であって、図３に示すように、電動モータ８０と、この電動モータ８０に一体的に並設されて電動モータ８０により駆動される圧縮機構９０とを有している。

電動モータ８０は、その外側部分を構成するモータ収容ケース８１と、モータ収容ケース８１の内側に固定される固定子８２と、モータ収容ケース８１にベアリング８３を介して回転可能に支持される回転子８４とを有している。ここで、ベアリング８３及びベアリング８３に支持される回転子８４のシャフト８５は、強度及び耐久性等を考慮してステンレス鋼材（ＳＵＳ材）から形成されており、モータ収容ケース８１は、成形性及びコスト等を考慮してアルミニウム合金などから形成されている。

圧縮機構９０は、その外側部分を構成する圧縮機構収容ケース９１と、圧縮機構収容ケース９１の内側にベアリング９２を介して回転可能に支持された羽根車９３とを有している。圧縮機構収容ケース９１はモータ収容ケース８１とは分割され、モータ収容ケース８１に一体的に固定されている。
圧縮機構９０は、水素循環路７５の一部を構成するように配置されており、羽根車９３が電動モータ８０の回転子８４に連結され、回転子８４と同期して回転することで、水素循環路７５を介して燃料電池２０のアノード側から水素オフガスを吸引し、圧縮して水素供給路７４に吐出する。ここで、圧縮機構収容ケース９１、羽根車９３及びベアリング９２は、強度及び耐久性等を考慮して同じステンレス鋼材（ＳＵＳ材）から形成されている。

圧縮機構収容ケース９１には、その電動モータ８０側の端部に、エンドプレート９に固定される複数、具体的には二カ所の固定部９４，９４が設けられている。これら固定部９４，９４は、略有底円筒状をなして羽根車９３を収容するケース本体部９５に対して、図２に示すように略同一接線上に互いに反対向きに突出するように形成されており、これら固定部９４，９４の間に、前記接線上でこれらを繋ぐ連結部（接触面積拡大部）９６が形成されている。これら固定部９４，９４及び連結部９６が圧縮機構収容ケース９１においてエンドプレート９に取り付けられる取付足部９７を構成している。
よって、一方の固定部９４のエンドプレート９に面接触する固定面９４ａと、他方の固定部９４のエンドプレート９に面接触する固定面９４ａとの間に、これら固定面９４ａ，９４ａと連続してエンドプレート９に面接触する連結部９６の接触面９６ａが設けられている。各固定部９４，９４にはボルト１００が挿通され、これらボルト１００によって圧縮機構収容ケース９１は、エンドプレート９に固定される。なお、図４に示すハッチングの範囲Ｘ１が、図３に示す圧縮機構収容ケース９１におけるエンドプレート９への接触範囲となっている。

図３に示すように、モータ収容ケース８１には、その圧縮機構９０とは反対側に、エンドプレート９に固定される固定部８６が、圧縮機構収容ケース９１の固定部９４，９４よりも少ない一カ所だけ設けられている。この固定部８６は、略有底円筒状をなして固定子８２及び回転子８４等を収容するケース本体部８７に対して軸線方向に重なる範囲内から軸線方向に沿って圧縮機構９０とは反対側に突出する範囲まで延在する形状をなしている。
この固定部８６にもボルト１００が挿通され、このボルト１００によってモータ収容ケース８１は、エンドプレート９に固定される。なお、図４に示すハッチングの範囲Ｘ２が図３に示すモータ収容ケース８１における固定部８６の固定面８６ａのエンドプレート９への接触範囲となっており、このモータ収容ケース８１におけるエンドプレート９への接触範囲Ｘ２は、圧縮機構収容ケース９１におけるエンドプレート９への接触範囲Ｘ１よりも面積が小さくなっている。

上記したように、圧縮機構収容ケース９１は、その材質がステンレス鋼材とされており、モータ収容ケース８１は、その材質がアルミニウム合金製とされている。

ここで、エンドプレート９には、その長手方向の両端部に、上記した冷却路７３の冷却水入口９Ａ及び冷却水出口９Ｂが設けられることになり、水素ポンプＨ５０は、全体として冷却水出口９Ｂ側に配置され、しかも、圧縮機構９０が冷却水出口９Ｂに近接し、電動モータ８０が圧縮機構９０の冷却水出口９Ｂとは反対に位置する姿勢で、上記した圧縮機構収容ケース９１の二カ所の固定部９４，９４及びモータ収容ケース８１の一カ所の固定部８６によってエンドプレート９に取り付けられる。

以上に述べた水素ポンプＨ５０の固定構造体によれば、エンドプレート９に固定される固定部９４，９４を圧縮機構収容ケース９１に設けたため、圧縮機構収容ケース９１とエンドプレート９とが一体となり、圧縮機構収容ケース９１を含む圧縮機構９０の熱容量が、擬似的にエンドプレート９の分も合わせた熱容量になって大きくなる。よって、圧縮機構９０を冷え難くし温度低下を抑制して、結露の発生を抑制することができる。
つまり、図５に破線で示すように、燃料電池システム１の運転停止時点ｔ０以後に、水素ポンプＨ５０の圧縮機構９０が、図５に示す実線で示すエンドプレート９と同様の緩い勾配で温度低下することになり、図５に二点鎖線で示す、熱容量が小さく急勾配で温度低下する水素循環路７５の配管や気液分離装置Ｈ４２に先に結露を発生させることになる。これにより、水素ポンプＨ５０の圧縮機構９０の結露の発生を抑制することができる。

その上で、仮に結露が発生し圧縮機構９０が凍結して、圧縮機構収容ケース９１と羽根車９３とが固着することがあっても、固定部９４，９４を圧縮機構収容ケース９１に設けたため、システム起動時には燃料電池２０の温度上昇によりエンドプレート９からの伝熱で、圧縮機構９０のこの凍結を早期に解除することができる。よって、水素ポンプＨ５０の低温起動性が向上する。

また、圧縮機構収容ケース９１の固定部９４，９４の間の連結部９６によって、圧縮機構収容ケース９１とエンドプレート９との接触面積を拡大することができるため、燃料電池システム１の運転停止後の圧縮機構９０の温度低下をさらに抑制でき、また、低温起動性がさらに向上する。しかも、この接触面積の拡大によって圧縮機構収容ケース９１が補強部材となってエンドプレート９の剛性を高めることができるため、両端がテンションプレート１１に連結されることで生じる、熱応力によるエンドプレート９の反りに対して圧縮機構収容ケース９１の密着性を維持することができる。

本発明に係る圧縮機の固定構造体の一実施形態が適用された燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。 同燃料電池システムの燃料電池を示す側面図である。 本発明に係る圧縮機の固定構造体の一実施形態を示す正面図である。 モータ収容ケース及び圧縮機構収容ケースにおけるエンドプレートへの接触範囲を示す図である。 本発明に係る圧縮機の固定構造体の一実施形態の温度変化等を示す特性線図である。

符号の説明

９…エンドプレート（取付対象）、２０…燃料電池、８０…電動モータ、８１…圧縮機構、８１…モータ収容ケース、９１…圧縮機構収容ケース、９４…固定部、９４ａ…固定面、９６…連結部（接触面積拡大部）、Ｈ５０…水素ポンプ（圧縮機，燃料オフガス循環ポンプ）。

Claims (4)

1. 電動モータと、該電動モータに並設されて該電動モータにより駆動される圧縮機構とを有する気液二相流体用の圧縮機の固定構造体であって、
   前記電動モータのモータ収容ケースと、前記圧縮機構の圧縮機構収容ケースとが分割して構成され、
   前記圧縮機構収容ケースの取付対象が、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電するセルが複数積層されてなる燃料電池のセル積層方向端部に配置されたエンドプレートであり、
   前記エンドプレートに固定される固定部を前記圧縮機構収容ケースに設けた圧縮機の固定構造体。
2. 前記前記圧縮機が前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料電池に循環させる燃料オフガス循環ポンプである請求項１に記載の圧縮機の固定構造体。
3. 前記圧縮機構収容ケースは、前記固定部が複数設けられ、これら固定部の前記エンドプレートに面接触する固定面の間に、前記エンドプレートに面接触する接触面積拡大部を設けた請求項１又は２に記載の圧縮機の固定構造体。
4. 前記圧縮機構収容ケースが前記モータ収容ケースよりも高剛性となるようにこれら圧縮機構収容ケース及びモータ収容ケースの材質が設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機の固定構造体。

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