(57)【要約】【課題】圧縮ガスの冷却装置を小型化することができるエアコンプレッサ及びこれを備えた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】駆動用モータ５２と、該駆動用モータ５２により気体を圧縮するエア圧縮部（圧縮部）５１と、を備えたコンプレッサ１４において、前記駆動用モータ５２により駆動される冷却ファン５５をさらに備え、該冷却ファン５５により外気が取り込まれ、該外気により前記エア圧縮部５１によって圧縮された圧縮ガスを冷却する空冷式インタークーラ（熱交換器）５９をさらに備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用モータと、該駆動用モータを駆動源として気体を圧縮する圧縮部と、を備えたコンプレッサにおいて、
前記駆動用モータにより駆動される冷却ファンと、該冷却ファンにより取り込まれた外気により、前記圧縮部によって圧縮された圧縮ガスを冷却する熱交換器と、が併設された、コンプレッサ。
【請求項２】
前記冷却ファンは、前記駆動用モータと同軸に設けられている、請求項１に記載のコンプレッサ。
【請求項３】
前記冷却ファンと前記熱交換器とがダクトによって接続されている請求項１または２に記載のコンプレッサ。
【請求項４】
前記冷却ファンがシロッコファンである請求項１から３のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
【請求項５】
前記冷却ファンが軸流ファンである請求項１から３のいずれか一項に記載のコンプレッサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のコンプレッサを酸化ガス流路に備え、該コンプレッサにより酸化ガスが圧縮かつ冷却されて燃料電池に供給される燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサ及びこれを備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムにおける酸化ガスを圧縮するために用いられるコンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、コンプレッサで圧縮した空気を酸化ガスとして燃料電池の発電反応に用いている。圧縮した空気は高温であるため、従来、燃料電池を冷却するための冷却水を用いて圧縮空気を冷却する技術が知られている（例えば特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００２−３０５８５７号公報
【特許文献２】特開２０００−２４９０６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１１８３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、冷却水は燃料電池冷却用であるため水温が７０〜８０℃と高温であり、圧縮空気温度との温度差が小さい。熱交換の効率ηは下式で表すことができるため、効率が同じ熱交換器の場合、T2(in)［冷却水入口温度］が高いほどT1(out)［圧縮ガス出口温度］が高くなってしまう。
【０００４】
【数１】
2008215175.tif 000003
【数２】
2008215175.tif 000004
ただし、T1(in)：圧縮ガス入口温度、T1(out)：圧縮ガス出口温度、T2(in)：冷却水入口温度
【０００５】
このため、所望のガス温度まで冷却するには熱交換器の体格を大きくする必要が生じるが、そうすると例えば車両用燃料電池システムに組み込む場合に占めるスペースの大きさが問題となる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱交換器が大型化するのを避けつつ圧縮ガスを十分に冷却することが可能なエアコンプレッサ及びこれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、駆動用モータと、該駆動用モータを駆動源として気体を圧縮する圧縮部と、を備えたコンプレッサにおいて、前記駆動用モータにより駆動される冷却ファンと、該冷却ファンにより取り込まれた外気により、前記圧縮部によって圧縮された圧縮ガスを冷却する熱交換器と、が併設されているというものである。
【０００８】
本構成のコンプレッサによれば、駆動用モータを駆動源として圧縮ガスが生成されると共に、生成された圧縮ガスは、同じく駆動用モータにより駆動される冷却ファンにより導入された外気により冷却される。この場合、冷却用の空気として外気を利用しているから、例えば燃料電池を冷却するための冷却水を利用する場合よりも圧縮ガスとの温度差を大きくとることができる。これによれば熱交換器における冷却効率を向上させることができるから、当該熱交換器が大型化するのを避けつつ圧縮ガスを十分に冷却することが可能となる。
【０００９】
前記冷却ファンは、前記駆動用モータと同軸に設けられていてもよい。本構成では駆動用モータの回転を直接的に冷却ファンへと伝達することができ、構造が簡易である。また、本発明では前記冷却ファンと前記熱交換器とがダクトによって接続されている。
【００１０】
また、前記冷却ファンは例えばシロッコファンであり、あるいは軸流ファンである。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池システムは、上記のコンプレッサを酸化ガス流路に備え、該コンプレッサにより酸化ガスが圧縮かつ冷却されて燃料電池に供給されるものである。本構成では、燃料電池の冷却水を用いて圧縮空気を冷却するのではなく、外気を用いて冷却する構成であるため、冷却効率が高い。このため、熱交換器が大型化するのを避けつつ圧縮ガスを十分に冷却することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来用いられていた圧縮ガスとの温度差が高い外気を冷却空気として圧縮ガスを冷却するため、熱交換器が大型化するのを避けつつ圧縮ガスを十分に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。まず図１を用いて本実施形態にかかるコンプレッサが適用された燃料電池システム１について説明する。
【００１４】
図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１５】
燃料電池２は例えば高分子電解質形の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００１６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００１７】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。
【００１８】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００１９】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００２０】
排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２１】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒循環流路４１と、冷媒循環流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒循環流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００２２】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２３】
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
【００２４】
補機インバータ６５，６６，６７は、それぞれ、対応するモータ１４ａ，２４ａ，４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５，６６，６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ，２４ａ，４２ａに供給する。補機インバータ６５，６６，６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１４ａ，２４ａ，４２ａで発生する回転トルクを制御する。
【００２５】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２６】
次に、本発明にかかるコンプレッサ１４の構成について詳細に説明する。
【００２７】
図２に示したように、本実施形態のコンプレッサ１４は、シャフト５０の回転によって容積が変化する圧縮空間を有し吸引した空気を圧縮して吐出するエア圧縮部（圧縮部）５１と、エア圧縮部５１のシャフト５０を回転駆動する駆動用モータ５２と、を備える。さらに、駆動用モータ５２の軸延長上には、エア圧縮部５１と反対側に、冷却ファン部５３が設けられている。
【００２８】
冷却ファン部５３は、シャフト５０に固定されたシロッコファンである冷却ファン５５と、後述する高温の圧縮空気を冷却するための冷却空気を外部から吸引して案内するハウジング５６とを備える。冷却ファン５５によってハウジング５６内に吸引された空気は、径方向外側を向いて延在したダクト５８を経て空冷式インタークーラ（熱交換器）５９に導かれる。空冷式インタークーラ５９には、エア圧縮部５１によって圧縮された高温の圧縮空気が供給路１１により供給され、冷却ファン部５３により吸引された冷却空気（外気）によって冷却される。冷却された圧縮空気は供給路１１により下流の燃料電池２方向に送られ、冷却に用いられた冷却空気は空冷式インタークーラ５９から外部に排出される。
【００２９】
このように構成されたコンプレッサ１４の作用について説明する。
駆動用モータ５２を駆動させると、エア圧縮部５１のシャフト５０により圧縮空間が圧縮され、高温の圧縮空気が生成されて供給路１１に吐出される。圧縮空気は空冷式インタークーラ５９に導入される。また、駆動用モータ５２のシャフト５０に固定された冷却ファン部５３の冷却ファン５５が回転し、冷却空気（外気）がハウジング５６内に導入され、ダクト５８を経て空冷式インタークーラ５９に流入する。空冷式インタークーラ５９では、冷却空気により高温の圧縮空気が冷却され、圧縮空気は下流側において燃料電池２の発電反応に使用される。冷却に用いられた冷却空気は外部に排出される。
【００３０】
このように、本実施形態においては、従来用いられていた冷媒配管系５の冷媒温度（７０〜８０℃）よりも低温な外気を冷却空気として圧縮空気を冷却するため、圧縮空気の出口温度を低下させることができる。すなわち冷却効率を向上させることができるため、圧縮空気を冷却するために必要な装置（本実施形態ではコンプレッサ１４が備える空冷式インタークーラ５９）を小型化することができる。したがって、特に搭載スペースの狭い車両用燃料電池システムにおいて有用である。また、本実施形態ではコンプレッサ１４が空冷式インタークーラ５９を備えているため、別途の冷却装置（熱交換器）は不要である。
【００３１】
変形例として、図３に示した様な構成としてもよい。
図３に示したコンプレッサ６０では、冷却ファン部６３は軸流ファンである冷却ファン６５を有する。冷却ファン６５は、軸方向外側から空気を吸引し、径方向外側へ向けて排出する軸流ファンである。冷却ファン６５の軸線延長上の吸引側上流に空冷式インタークーラ（熱交換器）６９が設けられている。他の構成については上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３２】
このように構成された本例では、コンプレッサ１４の運転時に駆動用モータ５２を駆動させると、エア圧縮部５１のシャフト５０により圧縮空間が圧縮され、高温の圧縮空気が生成されて供給路１１に吐出される。圧縮空気は空冷式インタークーラ６９に導入される。また、駆動用モータ５２のシャフト５０に固定された冷却ファン部６３の冷却ファン６５が回転し、冷却空気（外気）が軸方向に沿って外側から冷却ファン６５側へ取り込まれる。その過程で空冷式インタークーラ６９を通過し、その際に供給路１１によって供給された高温の圧縮空気を冷却する。圧縮空気は下流側において燃料電池２の発電反応に使用される。冷却に用いられた冷却空気は冷却ファン部６３により径方向外側へ排気される。
【００３３】
このように、本実施形態においても上記実施形態と同様に、冷却効率を向上させることができ、装置を小型化することができる。
【００３４】
なお、冷却空気の吸引・排気の方向については上記と逆であってもよいのはもちろんである。また、本実施形態のコンプレッサは燃料電池システムに適用されているが、他の用途に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】本発明に係るコンプレッサの概略構成を示した断面図である。
【図３】同コンプレッサの変形例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池システム、１４…コンプレッサ、５０…シャフト、５１…エア圧縮部（圧縮部）、５２…駆動用モータ、５５…冷却ファン、５８…ダクト、５９…空冷式インタークーラ（熱交換器）、６０…コンプレッサ、６９…空冷式インタークーラ（熱交換器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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