(57)【要約】【課題】低流量にて高圧力比を提供し、しかも動力消費量が少ない設計とされた電動コンプレッサである。コンプレッサは燃料電池システム内の効率を最適化し得る設計とされている。しかし、本発明のコンプレッサは燃料電池システムの用途にのみ限定されるものではない。【解決手段】【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段遠心型コンプレッサ組立体において、
第一の端部及び第二の端部を有するロータ軸（２０）と、
流体入口（２５）及び流体出口（２６）を有する第一のコンプレッサケーシング（２４）と、
該第一のコンプレッサケーシング（２４）内で回転可能な第一のインペラ（３０）と、
流体入口（２８）及び流体出口（２９）を有する第二のコンプレッサケーシング（２４´）と、
第二のコンプレッサケーシング（２４´）内で回転可能な第二のインペラ（３０´）と、
第一及び第二のコンプレッサケーシングの間に配置されて、ステータ（２３、２３´）と、該ステータ内で回転可能なロータ（２２、２２´）とを有するモータとを備え、
第一のインペラ（３０）、第二のインペラ（３０´）及びロータ（２２、２２´）がロータ軸（２０）３に回転しないように固定状態に取り付けられ且つ該軸と共に回転可能であり、
第一のコンプレッサケーシングの流体出口（２６）が第二のコンプレッサケーシングの流体入口（２８）と連通する、２段遠心型コンプレッサ組立体。
【請求項２】
請求項１のコンプレッサ組立体において、ロータ軸（２０）に回転しないように固定状態に取り付けられたプーリー（２１）を更に備える、コンプレッサ組立体。
【請求項３】
請求項１のコンプレッサ組立体において、前記モータが磁気負荷式複合モータである、コンプレッサ組立体。
【請求項４】
請求項１のコンプレッサ組立体において、前記磁気負荷式複合モータのロータ（２２、２２´）及びステータ（２３、２３´）が磁気ベアリングシステムとして機能する、コンプレッサ組立体。
【請求項５】
請求項１のコンプレッサ組立体において、前記第一のコンプレッサケーシング流体入口（２５）をバイパスするバイパス導管（３０）と、該バイパス導管を通る流れを調節する弁手段とを更に備える、コンプレッサ組立体。
【請求項６】
２段遠心型コンプレッサ組立体において、
ロータ軸（２０）と、
流体入口（２５）及び流体出口（２６）を有する第一のコンプレッサケーシング（２４）と、
該第一のコンプレッサケーシング（２４）内で回転可能な第一のインペラ（３０）と、
流体入口（２８）及び流体出口（２９）を有する第二のコンプレッサケーシング（２４´）と、
第二のコンプレッサケーシング（２４´）内で回転可能な第二のインペラ（３０´）と、
第一及び第二のコンプレッサケーシングの間に配置されて、ステータ（２３、２３´）と、該ステータ内で回転可能なロータ（２２、２２´）とを有するモータとを備え、
第一のインペラ（３０）、第二のインペラ（３０´）及びロータ（２２、２２´）がロータ軸（２０）に回転しないように固定状態に取り付けられ且つ該軸と共に回転可能であり、
第一のコンプレッサケーシングの流体出口（２６）が第二のコンプレッサケーシングの流体入口（２８）と連通し、
前記モータが磁気負荷式複合モータである、２段遠心型コンプレッサ組立体。
【請求項７】
請求項６のコンプレッサ組立体において、前記磁気負荷式複合モータのロータ（２２、２２´）及びステータ（２３、２３´）が磁気ベアリングシステムとして機能する、コンプレッサ組立体。
【請求項８】
請求項７のコンプレッサ組立体において、前記ロータ軸（２０）に回転しないように固定状態に取り付けられプーリー（２１）と、第一及び第二のモータとを更に備え、該第一及び第二のモータが前記プーリーの第一及び第二の側部に設けられる、コンプレッサ組立体。
【請求項９】
請求項６のコンプレッサ組立体において、前記第一のコンプレッサケーシング流体入口をバイパスするバイパス導管（３０）と、該バイパス導管を通る流れを調節する弁手段とを更に備える、コンプレッサ組立体。
【請求項１０】
発電システムにおいて、
燃料電池と、
電気モータ（２）によって駆動され、流体入口及び流体出口を有する第一の段の遠心型コンプレッサ（４）と、
電気モータ（１）によって駆動され、流体入口及び流体出口を有する第二の段の遠心型コンプレッサ（３）とを備え、
前記第一の段の遠心型コンプレッサの流体入口が酸化ガスの供給源と連通し、
前記第一の段の遠心型コンプレッサの流体出口が前記第二の段の遠心型コンプレッサの流体入口と連通しており、
前記第二の段のコンプレッサの流体出口が前記燃料電池と連通している、発電システム。
【請求項１１】
請求項１０の発電システムにおいて、前記酸化ガスが空気である、発電システム。
【請求項１２】
請求項１０の発電システムにおいて、前記第一及び第二の電気モータ（１、２）が、燃料電池の電気出力、燃料電池の燃料消費量、燃料電池の温度及び操作者の入力から選ばれたフィードバック源によって駆動される、発電システム。
【請求項１３】
請求項１０の発電システムにおいて、前記燃料電池がハイブリッド車両内にて提供される、発電システム。
【請求項１４】
請求項１０の発電システムにおいて、燃料電池から去る排気流中の全ての炭化水素、未燃焼燃料、一酸化窒素、一酸化炭素及び微粒子を分解させる触媒作用バーナを更に備える、発電システム。
【請求項１５】
請求項１０の発電システムにおいて、前記第一のコンプレッサケーシングの流体入口をバイパスするバイパス導管と、該バイパス導管を通る流れを調節する弁手段（５）とを更に備える、発電システム。
【請求項１６】
ガスに対して高圧力比及び低流量、低電力消費量を付与する方法において、
流体入口及び流体出口を有する、電気モータ（２）駆動の第一の段の遠心型コンプレッサ（３）内でガスを予め圧縮することと、
流体入口及び流体出口を有する、電気モータ（１）駆動の第二の段の遠心型コンプレッサ（３）まで前記第一のコンプレッサ（４）内で予め圧縮されたガスを運ぶことと、
前記ガスを前記第二の段の遠心型コンプレッサ内で更に圧縮することとを備える、ガスに対して高圧力比及び低流量、低動力消費量を付与する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの作動効率を向上させることに関する。より具体的には、本発明は、低流量及び低電力消費量にて高圧力比を提供する設計とされた電動コンプレッサに関する。しかし、本発明のコンプレッサは、燃料電池システムの用途にのみ限定されるものではない。
【背景技術】
【０００２】
車両の付属品を作動させるべく電力を発生させ、また、車両を推進させる駆動装置として、燃料電池システムが開発されつつある。
例えば、ドイツ国特許第４０  ３２  ９９３号（ＤＥ  ４０  ３２  ９９３  Ｃ１）には、酸化ガスが供給されるカソードと、燃料ガス（例えば、Ｈ2及びＣＯ2）が供給されるアノードという、２つの電極の間に陽子（ｐｒｏｔｏｎ）伝導の電解質膜（すなわち、陽子交換膜すなわちＰＥＭ）が配置される、燃料電池システムが教示されている。ＰＥＭは、燃料電池のアノードにて得られた水素イオンを陽子（Ｈ+）の形態にてカソードに向けて輸送する電解質のように作用する。エネルギの変換反応により発生された電力は収集され、消費されなかった余剰ガスは排気される。
【０００３】
ドイツ国特許第４０  ２１  ０９７号（ＤＥ  ４０  ２１  ０９７  Ａ１）には、燃料電池からの排気空気が膨張タービンに伝達される燃料電池システムが教示されている。膨張タービンは、新鮮空気コンプレッサと接続され、燃料電池に供給される空気の圧力を上昇させる。
【０００４】
欧州特許第０  ６２９  ０１３号（ＥＰ  ０  ６９２  ０１３  Ｂ１）及びドイツ国特許公開第４３  １８  ８１８号（ＤＥ  ４３  １８  ８１８  Ａ１）には、燃料電池の新鮮空気の吸入圧力を上昇させ得るように電動コンプレッサを使用することが教示されている。吸気を例えば、３００ｋＰａ（３バール）の通常の作動圧力まで圧縮することは、燃料電池により発生された電力の約２０％を消費することになる。燃料電池からの排気空気中に含まれるエネルギを回収するため、電動コンプレッサは、コンプレッサと同一の軸に取り付けられた膨張器に結合されている。エネルギ回収のため膨張器が使用されるとき、空気を圧縮する際に消費されるエネルギは、約１０％乃至１５％減少する。システムの効率を更に改良することが依然として必要とされる。
【０００５】
また、環境への排出分を減少させるため触媒作用バーナを提供することも既知である。燃料は、（１）燃料電池からの湿ったアノード排出ガス、及び（２）メタノールの形態にて触媒作用バーナに供給される。ドイツ国特許第４０  ３２  ９９３号（ＤＥ  ４０  ３２  ９９３  Ｃ１）において、触媒作用バーナ内で発生された燃焼ガスは、下流に接続されたガスタービンを通って流れ、コンプレッサを駆動して、触媒作用バーナに供給された酸素を含むガス（例えば、空気）を圧縮する。このように、燃料電池の排出ガス及び触媒作用バーナの排出ガスが別個のそれぞれの膨張器を通って流れる。
【０００６】
米国特許第６，１９０，７９１号（ホーンバルグ（Ｈｏｒｎｂｕｒｇ））には、狭小なガス通路を有する小型の燃料電池を構成し且つ燃料電池内で面積に関連した大きい電力収率を実現するため、カソード側（すなわち、空気側）により高圧の作用圧力が必要とされることが教示されている。ホーンバルグが採用した方策は、空気の質量流量を増し、膨張器に入る排気ガスの温度及び圧力を上昇させ得るような仕方でシステムを設計することを含む。（１）最初に、膨張前の触媒作用バーナに対する空気供給分として、ＰＥＭ燃料電池のカソード出口に空気を供給し、（２）膨張器を触媒作用バーナからの排気空気により作動させることにより、このことは実現される。熱及び質量流れの形態にて膨張器に対して追加的なエネルギを入力する結果として、その性能は、コンプレッサ駆動装置（例えば、電気モータ及び整流器）を遥かに小型に形成することができる程度まで向上する。ホーンバルグは、触媒作用バーナ内の燃焼ガスの圧力値及び（又は）追加的な供給量を最適に調節することにより、コンプレッサの駆動装置の全体を完全に省略可能であることを教示している。
【０００７】
ホーンバルグは、また、ＰＥＭ燃料電池用の燃焼ガスが高圧（１５００ｋＰａ（１５バール）乃至３０００ｋＰａ（３０バール））のガス発生システムによって発生される、１つの実施の形態を教示している。この圧力は、ＰＥＭ燃料電池のカソード入力から上流の第二の膨張器／コンプレッサ段によって利用され、ガス圧力は、高圧のガス発生システムのシステム圧力から触媒作用バーナの作動圧力（約３００ｋＰａ（約３バール））まで降下する。第二のコンプレッサ段は、電気モータ又はタービン無しで膨張器に結合されたコンプレッサの形態をしている。
【０００８】
ホーンバルグは、より高い作動圧力を実現するが、当該発明者等は、これらの圧力を発生させる、より簡単、より高信頼性があり且つより応答可能な方法が存在するはずであると考えた。更に、ホーンバルグのシステムは、より高流量であるように設計されている。当該発明者等は、新気を燃料電池に供給するとき、実際上、高圧力比率であっても少ない体積流量でなければならないという問題があることを考えた。従来の１段流れコンプレッサは、低体積流量にてかかる高圧力を実現するためには、高作動エネルギ入力と組み合わせて極めて高速度であることを必要とし、このことは、今日、利用可能な電気エンジンにて実現できない特徴である。
【０００９】
従って、本発明の第二の面は、低体積流量にて高圧力を提供することができ、信頼性が高く、経済的に製造でき、高応答型であり且つ容易に調節可能なコンプレッサを開発することに関する。
【００１０】
当該発明者等は、最初に、色々な電気モータ駆動コンプレッサ組立体を考えた。米国特許第６，１９３，４７３号（ムルック（Ｍｒｕｋ）及びその他の者）は、回転インペラコンプレッサを駆動するため電気モータを使用することに関係する主要な欠点は、電気モータとコンプレッサインペラとの間の連結機構であることを教示している。所定のコンプレッサは、該コンプレッサに対して要求される圧縮負荷を実現し得るようにインペラの特定の回転速度を有することになろう。これと同時に、誘導電気モータは、最適な回転速度を有し、この速度のとき、トルク出力は最大となる（また、該回転速度は一般に、高速度の遠心型コンプレッサの作動速度よりも遥かに低速である）。従来、コンプレッサを適宜な電気駆動モータと連結するため、コンプレッサ駆動装置内に配置された１つ又は２つ以上の高価な歯車組立体を採用することが必要であった。このようにして、コンプレッサ及び電気モータの異なる最適な回転速度に対応することができる。
【００１１】
ムルック及びその他の者の特許は、歯車が何も無く、電気モータ及びコンプレッサが直接、連結される、電気モータ駆動のコンプレッサを提供することを目的とするものである。ムルック及びその他の者の特許は、スイッチ式リラクタンスモータを使用して回転遠心型インペラを駆動することによりこの目的を実現する。ムルック及びその他者のコンプレッサ組立体は、共通の駆動軸組立体の両端に取り付けられ且つ該駆動軸組立体と共に回転可能な別個のコンプレッサハウジング内に収容された第一及び第二のコンプレッサを備えることが好ましい。第一及び第二のコンプレッサは、同一のスイッチ式リラクタンスモータによって駆動することができる。第一のコンプレッサケーシングの流体出口は、第二のコンプレッサケーシングの流体入口と連通し、２段コンプレッサ組立体を形成することができる。かかる配置において、スイッチ式リラクタンスモータは、第一及び第二のコンプレッサケーシング間に配置され、スイッチ式リラクタンスモータのロータが第一及び第二のインペラ間で駆動軸組立体に取り付けられるようにすることが最も便宜である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、本発明の目的を考えるならば、かかる配置は、高価であり、特に低圧のとき調節が困難で且つ、車両の推進システムに一体化することが困難であり、また、修理することが難しい。
【００１３】
更に、両方のコンプレッサが同一の軸によって駆動されるため、走行状態が急激に変化する場合、応答性及び出力を最適化することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
電動の流れコンプレッサを直列に接続することにより（図１参照）、本発明の第一の課題が実現されることが判明した。これらのコンプレッサは、燃料電池の作動条件に相応して互いに最適に調和させることができる。このシステム内の個々の流れコンプレッサの各々は、単一段コンプレッサと比較して明らかに低速度で且つ低電気消費量にて作動する。
【００１５】
単一の電気モータによって駆動され、また、ハイブリッド燃焼／電気車両の内燃機関にベルト又はプーリーシステムを介して接続されることも好ましい（図２及び図３参照）２段又は連続的なコンプレッサを提供することにより本発明の第二の課題が実現される。コンプレッサの電気モータは、磁気負荷式複合（ＭＬＣ）ロータ技術を使用して製造されることが好ましい。１つの好ましい実施の形態において、プーリーは、ロータ軸の中央に配置され、第一及び第二のＭＬＣモータは、プーリーの両側部に配置され、第一及び第二のコンプレッサ翼車は、ロータ軸の第一及び第二の端部にてＭＬＣモータの外部に設けられる。この特別設計の２段又は連続的コンプレッサは、燃料電池システムと共に使用するのに特に適しているが、その他用途も多数ある。
【００１６】
上記の説明は、以下に記載する本発明の詳細が一層良く理解され、また、当該技術に対する本発明の貢献がより完全に理解されるようにするため、本発明のより関連し且つ重要な特徴をかなり広く概説するものである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の更なる特徴について以下に説明する。開示した概念及び特定の実施の形態は、本発明の同一の目的を達成するため、その他の電動コンプレッサを改変し又は設計する基礎として容易に利用することができることを理解すべきである。かかる等価的な構造は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱しないことも当該技術分野の当業者は理解すべきである。
【００１７】
本発明の性質及び目的をより完全に理解するため、添付図面と共に、以下の詳細な説明を参照すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の第一の面において、燃料電池に対して、高圧力、低流量及びコンプレッサの低電力消費量にて空気を供給するという課題は、図１に図示するように、２つの別個のコンプレッサを直列に接続し、そのコンプレッサの各々が電気モータによって独立的に駆動されるようにすることで達成される。この配置は、明らかに低速度及び低電力消費量にてシステム内の個々の流れコンプレッサの各々を作動させることを可能にする。更に、これらのコンプレッサは、燃料電池の作動条件に相応して互いに最適に調和させることができる。
【００１９】
第一及び第二のコンプレッサの間に制御弁が提供される。このことは、所望に応じて第一のコンプレッサをバイバスし、第二のコンプレッサのみを作動させることを可能にする。
【００２０】
本発明により、燃料電池に対して高圧力、低流量を提供する低電力消費量のコンプレッサシステムの設計は、内燃機関に対する過給機システムが提供される、例えば、米国特許第６，０７９，２１１号に開示されたような、従来技術のシステムと相違する。その開示されたシステムにおいて、第一のコンプレッサは、電気モータによって駆動され、第二のコンプレッサは、排気ガス駆動タービンによって、また、選択的に、電気モータによっても駆動される。スロットル弁を開いて、エンジンを加速すると、双方の電気モータが短時間、過給状態で作動されて、エンジンへの上昇圧力を増強する。この特許に開示された過給機の配置は、圧力及び流れの双方を急激に増大させる設計とされているが、本発明は、低流量にて、また、最小の電力消費量にて圧力を連続的に上昇させる設計とされるものである。
【００２１】
必ずしも必要ではないが、本発明の１つの好ましい実施の形態によれば、排気管路に膨張器を設けることにより、排気中に含まれるエネルギの一部を燃料電池から、また、存在するならば、触媒作用バーナから回収することが可能である。該膨張器は、電気モータ駆動コンプレッサに接続することができ、電気モータ駆動コンプレッサとインライン（ｉｎ−ｌｉｎｅ）に又は直列に接続し、又は電気モータ駆動コンプレッサと並列に接続してもよい。
【００２２】
図２及び図３に図示した、本発明の更なる好ましい実施の形態において、双方のコンプレッサが同一のロータ軸に設けられ、軸は電気モータによって駆動される。モータは、コンプレッサの間に配置されることが好ましい。より好ましくは、プーリーは、軸の中央に更に設けられて、第一及び第二の電気モータ（誘導モータ、好ましくは、磁気負荷式複合（ＭＬＣ）モータ）がプーリーの一側部に設けられ、コンプレッサ翼車がロータ軸の第一及び第二の端部に設けられるようにする。
【００２３】
本発明の２段コンプレッサは、例えば、米国特許第６，１９３，４７３号（ムルック及びその他の者）に開示されたような、最も関連の深い従来技術の２段遠心型コンプレッサ組立体に優る改良であり、それは、ムルック及びその他の者の特許が、第一及び第二のコンプレッサケーシングの間に配置されて、ステータと、該ステータ内を回転可能なロータとを備える、スイッチ式リラクタンスモータを介してコンプレッサを駆動するものであるからである。
【００２４】
これに反して、本発明は、中央に配置されたプーリーを提供し、コンプレッサが主エンジンにより駆動され、また、更に、プーリーの一側部に磁気負荷式複合（ＭＬＣ）モータを提供する。ＭＬＣは、高強度であり且つ高度に一体化された繊維状の複合的構造体に磁気材料を組み込んだ製品である。かかるモータの一例は、米国特許第５，４７７，０９２号（タラント（Ｔａｒｒａｎｔ））に開示されており、また、適宜なロータの１つの商業的な供給先は、英国、マーロー（ＭＬＣ）のユーレンコ・リミテッド（Ｕｒｅｎｃｏ  Ｌｔｄ．）のＭＬＣである。当該発明者等が知る限り、モータ発電機のロータ、高表面速度発電機、フライホイール、ダイナモメータ、自己励起式ローラ、トランスデューサ（線形型、回転型及び音波型）、アクチュエータ（線形型及び回転型）、磁気ベアリング（受動型及び能動型）用としてＭＬＣが有用であることを記述する文献があるが、ＭＬＣが本発明の目的用として使用されたことはない。ＭＬＣの有利な点は、重量の軽減、簡略化した一体形の設計、高速度、低慣性力、機械的及び電気的双方に非常な静粛さ、モータ空隙の減少の可能性、高周波損失の減少、すなわち、積層体の不存在、多彩な磁気パターン及び極の数、ＰＭ迷磁界の不存在、補強鉄の不要化、磁気的アニソトロピー（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）／イソトロピー（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）、高比強度及び剛性、優れた耐食性及び化学抵抗性を含む。更に、本発明において、ＭＬＣモータは、磁気ベアリングシステムを提供する。
【００２５】
ロータは、一方向ベアリングを介してプーリーに接続されることが好ましく、このことは、ベルトがコンプレッサ／発電機の高速度及び高レベルのコンプレッサの電力消費量にてエンジンのクランク軸プーリーからコンプレッサの電力及び発電機の駆動力を提供することを許容する。
【００２６】
電気モータは、発電機として機能するようにパワーエレクトロニクスを介して容易にスイッチ切換えを行うことができる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池が上昇した空気圧力にて作動している限り、米国特許第６，２３０，４９４号に記載されたように、固体酸化物燃料電池とし（ここで、空気中の酸素は、イオン化してＯ-2となり、電気を発生する）、米国特許第６，２３２，００５号に記載されたように、改変燃料電池、米国特許第６，１９０，７９１号に記載さたれように、陽子交換膜燃料電池又は色々な既知の型式の任意のものとすることができる。
【００２７】
次に、図１を参照すると、２つの電気モータ駆動のコンプレッサが燃料電池に対し調節された高圧の少量の空気流を提供すべく直列に接続した状態で示されている。最初に、システムが冷温であり且つ、始動されたとき、双方の電気モータ１、２は外部電源（例えば、バッテリ）により励起し、コンプレッサ３、４を駆動して、必要なシステム空気を提供することができる。これと代替的に、弁５を開けて、第一のコンプレッサ４がバイパスされるようにしてもよい。好ましくは、３００ｋＰａ（３バール）まで昇圧された空気（又は、任意の酸化ガス）がコンプレッサ３から出て、導管６内に導入され且つ好ましくは、管形熱交換器７を通って流れ、この熱交換器にて、燃料電池ＢＺのカソード側に向けられる前に、加熱されるようにする。燃料ガス８（例えば、Ｈ2及びＣＯ2）は、アノードに供給される。一度び反応がそれ自体で確立されたならば、燃料電池ＢＺ内で発生された電気は、モータ１、２を駆動するために使用される。
【００２８】
好ましくは、システムから出る前に、全ての炭化水素、未燃焼燃料、一酸化窒素、一酸化炭素及び微粒子を排気流から除去するため、また、熱交換器７内のシステム空気を予熱するため使用できる熱を発生させるため、バーナ触媒ＫａｔＢｒが提供される。バーナ触媒ＫａｔＢｒは、燃料電池に対する排出物の流れを予熱し得るように、燃料電池を始動させる前に、メタノールのような、燃料供給源を使用してオンラインで作動させることができる。
【００２９】
燃料電池をアイドル状態に保つため（例えば、ハイブリッド車両の内燃機関が公道運転のために使用されているとき）、バイパス弁５を開いて電気モータ１のみが作動するようにすることができる。車両が市内の運転に移行するとき、内燃機関を遮断し、燃料電池を高出力にて作動させることができる。このため、双方の電気モータが励起され、これにより第一のコンプレッサ内の予め圧縮された空気がコンプレッサの第二の段内で更に圧縮されるすなわち昇圧される。
【００３０】
燃料電池システムはより応答可能に形成することができるため、貯蔵バッテリ及び慣性力フライホイールのような装置の必要性が減少する。
２つの電気モータ駆動のコンプレッサはほぼ瞬間的な応答状態で調節することができる。調節は、車両の電気消費量に応答して行い、又は燃料電池内への燃料ガスの供給量、温度、アクセスペダル、又はこれら又はその他の入力の任意の組み合わせに応答して行うことができる。２つのコンプレッサを作動させるのに必要な動力は比較的少なく、例えば排気ガス圧力に応答してのみ作動されるコンプレッサと比較して応答性は大幅に向上する。
【００３１】
次に、図２及び図３に図示した特殊な設計の電気モータ駆動の一体型２段コンプレッサを参照すると、全ての回転部品は単一のロータ軸２０に取り付けられている。図示した実施の形態において、一体型の２段コンプレッサは、ほぼ「バーベル」形状であり、プーリー２１がロータ軸の中央に配置され、遠心型コンプレッサは回転軸の端部に配置され、１つのＭＬＣモータがプーリーとコンプレッサの各々との間に設けられている。ロータ軸はハウジング内でベアリング上に支持されている。
【００３２】
ベルト（図３参照）をこのプーリーの上方で緊張させ、コンプレッサのロータ軸をハイブリッド燃焼／電気車両の内燃機関の駆動軸に接続することができる。
電気モータは、バッテリ、内燃機関と関係した発電機又は燃料電池により作動させることができる。電気モータは、任意の型式とすることができるが、上述した理由のため、磁気負荷式複合（ＭＬＣ）ロータ技術を使用して製造し、ロータ２２、２２´がロータ軸２０に結合され、ステータ２３、２３´がハウジングに接続されることが好ましい。ＭＬＣロータ及びステータは、また、磁気ベアリングシステムとしても機能する。
【００３３】
遠心型コンプレッサは、空気を軸方向に吸引し且つ空気を半径方向に押出すから、コンプレッサを回転軸の第一の端部及び第二の端部に配置することが必要である。図２及び図３に図示するように、ロータ軸の第一及び第二の端部に第一のコンプレッサ翼車３０及び第二のコンプレッサ翼車３０´が設けられている。双方のコンプレッサはロータ軸の両端にて空気を軸方向に吸引する。空気はＰ１＝雰囲気圧力にて第一のコンプレッサ２４のハウジング入口２５内に吸引され、Ｐ２＝例えば、２００ｋＰａ（２バール）にて出口２６から排気される。空気は導管２７に沿ってＰ２＝例えば、２００ｋＰａ（２バール）にて第二のコンプレッサ２４´のハウジング入口２８に運ばれ、Ｐ３＝例えば、３００ｋＰａ（３バール）にて出口２９から排出される。
【００３４】
図１に図示するように、空気は第一のコンプレッサを通って流れ且つ第二のコンプレッサに入る前に予め圧縮されるようにし、又はこれと代替的に、条件によって決定れさるように、バイパス導管３０内に配置された弁を開くことにより第一のコンプレッサの少なくとも一部をバイパスするようにしてもよい。
【００３５】
モータは、パワーエレクトロニクスを介して容易にスイッチ切換えされ、ロータ軸がモータの駆動軸に接続されたプーリーベルトにより回転され又は膨張器により駆動される何れの場合でも、発電機として機能するようにすることができる。
【００３６】
本発明の２段コンプレッサは、米国特許第６，１９３，４７３号（ムルック及びその他の者）に開示された２段遠心型コンプレッサ組立体に優る改良であり、それはムルック及びその他の者の特許は、第一及び第二のコンプレッサケーシングの間に配置され、ステータと、該ステータ内で回転可能なロータとを備えるスイッチ式リラクタンスモータを介してコンプレッサを駆動するからである。ムルック及びその他の者の設計においてプーリーが存在しないことは、コンプレッサを燃料電池システム内に完全に一体化し、車両の付属品を作動させる電気を発生させ、又は車両、特に、ハイブリッド車両を推進する駆動システムとすることを困難にする。更に、プーリーの各側部に１つずつ設けられた、本発明により開発された磁気負荷式複合（ＭＬＣ）モータは上述した多数の有利な点を提供する。
【００３７】
本明細書において、燃料電池システムにて、特に車両の付属品を作動させる電力を発生させるため、又は車両を推進させる駆動システムとして使用される燃料電池システムにて使用するのに適した１つの実施の形態に関して２段コンプレッサを極めて詳細に説明したが、該２段コンプレッサはその他の多数の用途にて使用するのに適していることは容易に明らかであろう。本発明は、自動車の内燃コンプレッサ翼車に関してある程度具体的にその好ましい形態にて説明したが、好ましい形態の当該開示は単に一例として掲げたものに過ぎず、構造及び組合せ体の構成の細部を本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数、変更することができることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池に対して調節された高圧の少量の空気流れを提供すべく直列に接続された２つの電気モータ駆動コンプレッサを示す概略図である。
【００３９】
【図２】燃料電池システムと共に使用するのに特に適した１つの好ましい２段コンプレッサの部分断面図である。
【００４０】
【図３】プーリーに取り付けられたベルトを示す図２の２段コンプレッサの概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    電気モータ                          ２    電気モータ
３    コンプレッサ                        ４    第一のコンプレッサ
５    弁                                  ６
７    管形熱交換器                        ８    燃料ガス
２０    ロータ軸                          ２１    プーリー
２２、２２´    ロータ                    ２３、２３´    ステータ
２４    第一のコンプレッサ                ２４´    第二のコンプレッサ
２５    流体入口                          ２６    流体出口
２７    導管                              ２８    ハウジング入口
３０    第一のコンプレッサ翼車            ３０´    第二のコンプレッサ翼車
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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