(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの空気を供給するための回転式エアコンプレッサの耐水性を向上する技術を提供する。【解決手段】回転式エアコンプレッサＡＣは燃料電池システムにおいて使用され、ポンプ室２０とギヤ室２３とを備える。ポンプ室２０には、ポンプ室２０を貫通する２つの回転軸２１ａ、２１ｂによって回転するロータ２７ａ、２７ｂが収納される。ギヤ室２３には、２つの回転軸を連結するギヤ２３ａ、２３ｂが収納される。２つの回転軸２１ａ、２１ｂの外周には、ポンプ室２０の隔壁２２と隔壁２４においてそれぞれ、オイルシールＯＳと水シールＷＳを設ける。この構成により、オイルシールＯＳによりギヤ室２３の潤滑オイルのポンプ室２０への漏洩をシールするとともに、ポンプ室２０内に水が発生した場合でもポンプ室２０以外への水の侵入をシールできる。【選択図】図２
2007231837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに空気を供給するための回転式エアコンプレッサであって、
ロータを用いて気体の吸入、圧縮及び排出を行うポンプ室と、
前記ポンプ室と隔壁を介して設けられたギヤ室と、
前記ポンプ室と前記隔壁を貫通し、前記ロータに連結された回転軸と、
を備え、
前記ギヤ室には、前記回転軸と接続されて前記回転軸を駆動するギヤが収納されており、
前記ポンプ室と前記ギヤ室の間にある前記回転軸の外周に、前記ポンプ室から前記ギヤ室側への水の漏洩を防止する水シールと、前記ギヤ室から前記ポンプ室へのオイルの漏洩を防止するオイルシールとが設けられていることを特徴とする、回転式エアコンプレッサ。
【請求項２】
請求項１記載の回転式エアコンプレッサであって、
前記回転軸が、
前記回転式エアコンプレッサの動力源である駆動部に直接接続される主回転軸と、
前記ギヤを介して前記主回転軸から動力が伝達される従回転軸と、
を含み、
前記主回転軸と前記従回転軸のそれぞれには、前記水シールと前記オイルシールとが設けられていることを特徴とする、回転式エアコンプレッサ。
【請求項３】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
請求項１又は請求項２に記載の回転式エアコンプレッサと、
前記燃料電池スタック内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、
前記燃料電池スタック内から水蒸気を帯びて排出される排出酸化ガスをシステム外部へ導出する酸化ガス排出路と、
前記酸化ガス供給路と前記酸化ガス排出路とを接続し、前記排出酸化ガスの一部を前記酸化ガス供給路へと再循環する酸化ガス循環路と、
を備え、
前記回転式エアコンプレッサは、前記酸化ガス供給路において、前記酸化ガス供給路と前記酸化ガス循環路とが合流する部位より下流側に配置されていることを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池スタックに空気を供給するための回転式エアコンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、所定の発電効率を得るために、酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）とを効率よく燃料電池スタックへ供給する様々なシステムが提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０２４２１
【特許文献２】特開２００４−１５８３６８
【特許文献３】特開２００５−２０７３６９
【０００４】
そうした燃料電池システムにおいて所定の発電効率を得る方法のひとつとして、空気の供給経路である狭いガス供給配管に空気を圧縮して送り込むことで、燃料電池スタックに多量に空気を供給する方法がある。その空気の圧縮には種々の回転式エアコンプレッサが用いられている。
【０００５】
エアコンプレッサに導入される空気には通常は水滴は含まれていないが、その運転環境によってはエアコンプレッサ内にかなりの水が発生する可能性があることが、本発明の発明者によって見出された。例えば、燃料電池スタックに供給する空気の湿度をある程度高い値に設定した場合に、配管内の急激な圧力変化や温度変化によって、空気中の水分が結露し、エアコンプレッサ内に多量の水が侵入する可能性がある。また、降雨時や降雪時に空気取入口のエアクリーナを通過した水がエアコンプレッサに達する場合もある。エアコンプレッサにかなりの水が侵入すると、エアコンプレッサ内の金属部品やオイルなどの劣化を引き起こすおそれがあった。しかし従来の回転式エアコンプレッサではこうした問題に対して充分な工夫がなされていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池スタックの空気を供給するための回転式エアコンプレッサの耐水性を向上する技術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に、本発明によるエアコンプレッサは、燃料電池スタックに空気を供給するための回転式エアコンプレッサであって、ロータを用いて気体の吸入、圧縮及び排出を行うポンプ室と、前記ポンプ室と隔壁を介して設けられたギヤ室と、前記ポンプ室と前記隔壁を貫通し、前記ロータに連結された回転軸とを備え、前記ギヤ室には、前記回転軸と接続されて前記回転軸を駆動するギヤが収納されており、前記ポンプ室と前記ギヤ室の間にある前記回転軸の外周に、前記ポンプ室から前記ギヤ室側への水の漏洩を防止する水シールと、前記ギヤ室から前記ポンプ室へのオイルの漏洩を防止するオイルシールとが設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、ポンプ室内に水が侵入した場合でも、水シールにより、回転式エアコンプレッサ内のギヤ室への水の漏洩を防止し、回転式エアコンプレッサの耐水性を向上できる。
【０００９】
前記回転軸が、前記回転式エアコンプレッサの動力源である駆動部に直接接続される主回転軸と、前記ギヤを介して前記主回転軸から動力が伝達される従回転軸とを含み、前記主回転軸と前記従回転軸のそれぞれには、前記水シールと前記オイルシールとが設けられているものとしても良い。
【００１０】
本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタックと、上記回転式エアコンプレッサと、前記燃料電池スタック内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、前記燃料電池スタック内から水蒸気を帯びて排出される排出酸化ガスをシステム外部へ導出する酸化ガス排出路と、前記酸化ガス供給路と前記酸化ガス排出路とを接続し、前記排出酸化ガスの一部を前記酸化ガス供給路へと再循環する酸化ガス循環路とを備え、前記回転式エアコンプレッサは、前記酸化ガス供給路において、前記酸化ガス供給路と前記酸化ガス循環路とが合流する部位より下流側に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、燃料電池システム内に酸化ガスを加湿するモジュールを備える必要が少なく、また、仮に水蒸気を帯びた酸化ガスの結露により水が発生して、回転式エアコンプレッサ内に侵入した場合に、回転式エアコンプレッサのオイルの劣化や金属部品の錆の発生を防ぐことができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、回転式エアコンプレッサを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：
【００１４】
Ａ．実施例：
図１は、本発明における実施例としての燃料電池システムを示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と、空気系統１１と、水素系統１３とを備えている。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、発電を行う単セルを複数積層したスタック構造を有している固体高分子型燃料電池である。単セルとは、固体高分子材料である電解質膜を両側から電極触媒層により挟持された膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに、セパレータと呼ばれる金属板により両側から挟持した構成を有する発電モジュールである。ＭＥＡは、両電極触媒層にそれぞれ燃料ガス（水素）及び酸化ガス（空気）が供給されることで発電する。なお、電解質膜は湿潤状態で良好に作用する。
【００１６】
セパレータは、ＭＥＡの各電極触媒層への水素及び空気の供給と、発電化学反応に供されなかった水素及び酸素の排気とを行うためのガス通路溝を有する。また、セパレータは、冷却水の通路溝を有することでＭＥＡを冷却する機能を持ち、さらに金属板で構成することにより集電機能をも併せ持つ。
【００１７】
空気系統１１は、燃料電池スタック１０に対して空気の供給と排気とを担う。空気系統１１は、燃料電池スタック１０に空気を供給する供給配管１２ｓと、燃料電池スタック１０からの排出空気を外部に排出する排出配管１２ｅとを備える。空気系統１１は、さらに、排出配管１２ｅから分岐して供給配管１２ｓへと合流する循環配管１２ｒを備えている。
【００１８】
供給配管１２ｓには、エアクリーナ１５が設けられており、その下流側に回転式エアコンプレッサＡＣが設けられている。排出配管１２ｅには、調圧バルブＶＬ１が設けられている。循環配管１２ｒと排出配管１２ｅとの分岐点は、調圧バルブＶＬ１の下流側にある。また、循環配管１２ｒと供給配管１２ｓとの合流点は、エアクリーナ１５とエアコンプレッサＡＣとの間にある。循環配管１２ｒには、循環量調節バルブＶＬ２が設けられている。
【００１９】
エアコンプレッサＡＣは、駆動部であるモータによってロータが回転駆動される回転式のものである。エアコンプレッサＡＣの構成の詳細は後述する。
【００２０】
エアクリーナ１５は、空気中に含まれる塵などを除去する為のものであり、図示しないエアフロメータを有している。エアフロメータで計測される流量のフィードバックにより、エアコンプレッサＡＣを駆動するモータが制御される。エアクリーナ１５とエアフロメータは一体ではなく、個別のものとして備えられていても良い。
【００２１】
調圧バルブＶＬ１は、バルブの開度により、燃料電池スタック１０へ供給される空気の圧力を調整する。循環量調節バルブＶＬ２は、バルブの開度により、循環配管１２ｒを介して供給配管１２ｓへ流入する空気の流量を調整する。
【００２２】
なお、空気系統１１には、エアコンプレッサＡＣの下流側にインタークーラを設けることで、燃料電池スタック１０に供給される空気の温度を調節するものとしても良い。
【００２３】
水素系統１３は、燃料電池スタック１０に対して水素の供給と排気を担う。水素系統１３は、燃料電池スタック１０に水素を供給する水素供給配管１４ｓと、燃料電池スタック１０からの排出水素を排出する水素排出配管１４ｅとを備えている。また水素系統１３には、図示されていないが、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンクや、水素の流量や圧力を調整するバルブなどが設けられている。なお、水素タンクからの水素供給に代えて、例えば、メタン、メタノールなどの改質を行う改質器を用いて水素ガスを生成、供給するものとしても良い。
【００２４】
燃料電池システムは、上記のものの他に、燃料電池スタック１０内に冷却水を供給し循環させることで燃料電池スタック１０を冷却する冷却系統や、燃料電池スタック１０で発電した電気を外部へ出力するための出力部などを備えているが、図示が省略されている。
【００２５】
次に、本実施例による空気系統１１内の空気の流れを説明する。エアクリーナ１５によって除塵された空気は、供給配管１２ｓを通過し、エアコンプレッサＡＣによって圧縮された後、燃料電池スタック１０へ供給され、電気化学反応に供される。電気化学反応に供されることのなかった一部の空気は、電気化学反応によって発生した水（水蒸気）とともに排出配管１２ｅより排気される。エアコンプレッサＡＣよりも上流側の供給配管１２ｓ内は、エアコンプレッサＡＣによる空気の吸入によって負圧となる。そのため、排出配管１２ｅの空気の一部は、循環配管１２ｒを介して供給配管１２ｓへ流入する。その流量は循環量調節バルブＶＬ２で調整できる。
【００２６】
燃料電池スタック１０に供給される空気は、湿潤状態であることが好ましい。本実施例の燃料電池システムにおいては、上記のように湿潤状態の排出空気（湿度７０％〜８０％程度）の一部が供給配管１２ｓへ再循環されるので、供給配管１２ｓの空気に充分な湿度を持たせることができる。従って、本実施例の燃料電池システムによれば、加湿器などのモジュールによって空気を加湿する必要性は少ない。
【００２７】
一方、燃料電池スタック１０内での電気化学反応の発熱により、燃料電池スタック１０から排出される空気は高温（６０℃〜７０℃程度）となっている。従って、再循環される空気と供給配管１２ｓの空気（常温）との温度差のため、再循環された空気は供給配管１２ｓに流入した際に、急激に温度がさがり結露する可能性がある。このとき、生成された水滴がエアコンプレッサＡＣのポンプ室２０内に侵入する場合がある。ポンプ室２０に水が侵入すると、エアコンプレッサＡＣに不具合（潤滑オイルの劣化や、ベアリングの錆の発生など）を引き起こす可能性がある。そこで本実施例のエアコンプレッサＡＣでは、後述するように、水シールを設けることで耐水性を向上している。
【００２８】
図２は、本実施例における燃料電池システムに使用されるエアコンプレッサＡＣの断面図である。なお、本実施例におけるエアコンプレッサＡＣは、ルーツ式のコンプレッサであり、以下にその構成と動作を説明する。
【００２９】
エアコンプレッサＡＣは、ポンプ室２０とギヤ室２３とを備えており、また、ポンプ室２０を貫通する主回転軸２１ａと従回転軸２１ｂを備えている。主回転軸２１ａは、ポンプ室２０の一方の隔壁２２の外側に突出した一端においてモータ１００と連結されており、また、他方の隔壁２４の外側に突出した他端においてギヤ室２３内の第１のギヤ２３ａに連結されている。この第１のギヤ２３ａは、同じくギヤ室２３に収納されている第２のギヤ２３ｂと噛み合っており、第２のギヤ２３ｂは従回転軸２１ｂに連結されている。ギヤ室２３とポンプ室２０の間には、第１のベアリング２５ａが設けられており、それに対向する隔壁２２には、第２のベアリング２５ｂが設けられている。主回転軸２１ａ及び従回転軸２１ｂはそれぞれ、ベアリング２５ａ、２５ｂにより回転可能に保持されている。
【００３０】
ギヤ室２３は、潤滑オイルによって満たされている。その潤滑オイルがポンプ室２０へ漏洩するのを防止するために、第１のベアリング２５ａとポンプ室２０の間において、２つの回転軸２１ａ、２１ｂの外周に円環状のオイルシールＯＳがそれぞれ設けられている。このエアコンプレッサＡＣではさらに、オイルシールＯＳとポンプ室２０の間に、ポンプ室２０からの水の侵入を防ぐための円環状の水シールＷＳが２つの回転軸２１ａ、２１ｂの外周にそれぞれ設けられている。また、ポンプ室２０とモータ１００側の第２のベアリング２５ｂの間における２つの回転軸２１ａ、２１ｂの外周にも、円環状の水シールＷＳがそれぞれ設けられている。
【００３１】
モータ１００側の第２のベアリング２５ｂはグリースにより潤滑性を実現しており、ベアリング自体にシール部が設けられている。従って、この箇所にはオイルシールは設けられていない。なお、第２のベアリング２５ｂも潤滑オイルにより潤滑性を実現する構成としても良く、その場合は、第２のベアリング２５ｂとポンプ室２０の間において２つの回転軸２１ａ、２１ｂの外周にオイルシールＯＳを設けることが好ましい。
【００３２】
主回転軸２１ａは、ポンプ室２０内において、第１のロータ２７ａと連結されており、同様に、従回転軸２１ｂは、ポンプ室２０内において、第２のロータ２７ｂと連結されている。この構成によって、モータ１００で発生した回転駆動力は、主回転軸２１ａからギヤ２３ａ、２３ｂを介して従回転軸２１ｂへと伝達され、ロータ２７ａ、２７ｂを駆動する。
【００３３】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ切断におけるポンプ室２０内部の断面図である。ポンプ室２０の内壁２０Ｗは、主回転軸２１ａと従回転軸２１ｂとをそれぞれ中心にもつ２つの同一半径の円の一部が重なることで形成される空間を囲むように形成されている。ロータ２７ａ、２７ｂは、同一の繭形の対称形状を有しており、その長方向の長さが、上記の円の直径とほぼ同じである。ロータ２７ａ、ｂは、それぞれ、主回転軸２１ａ、従回転軸２１ｂにより回転するが、一方が垂直方向を向いた時に、他方は水平方向を向くように回転し、前者の片端が後者の括れ部に位置するよう配置されている。ポンプ室２０には、気体の吸入口３０と排出口３１とがある。ロータ２７ａ、２７ｂは、矢印で示された方向にそれぞれ回転し、内壁２０Ｗとロータ２７ａ、２７ｂによって生じる空間の体積変化により、吸入口３０から気体を吸入し、ポンプ室２０内で圧縮した後、排出口３１からその圧縮気体を排出する。
【００３４】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、オイルシールＯＳと水シールＷＳのシール作用を説明するための模式図であり、主回転軸２１ａのギヤ室２３側を示している。なお、下記の説明は、他の部位に設けられたオイルシールＯＳ及び水シールＷＳについても同様である。
【００３５】
図４（Ａ）は、エアコンプレッサＡＣのシール部としてオイルシールＯＳのみが設けられた場合の模式図である。オイルシールＯＳのリップ部ＯＳｒは、主回転軸２１ａに接触しており、リップ部ＯＳｒのポンプ作用により、ギヤ室２３内の潤滑オイルをギヤ室２３側へと戻す力が発生する。しかし、ポンプ室２０内に水が発生した場合、オイルシールＯＳは、リップ部ＯＳｒのポンプ作用により、逆にその水をギヤ室２３側へと運ぶ力を発生してしまう。
【００３６】
図４（Ｂ）は、本実施例のエアコンプレッサＡＣと同様に、オイルシールＯＳとともに水シールＷＳを設けた場合の模式図である。水シールＷＳが追加されていること以外は図４（Ａ）と同じである。水シールＷＳのリップ部ＷＳｒは、オイルシールＯＳとは逆方向にポンプ作用が働くように設けられている。そのため、ポンプ室２０に水が発生した場合でも、その水がギヤ室２３側へと侵入することを防止できる。
【００３７】
本実施例におけるエアコンプレッサＡＣは、上記実施例の燃料電池システム以外の燃料電池システムにおいても同様の効果を得られる。例えば、車両などに搭載される燃料電池システムにおいて、エアクリーナを介して雪や雨滴などが空気の供給路に入り込む可能性がある場合にも同様の効果が得られる。
【００３８】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３９】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、オイルシールＯＳと水シールＷＳとを別個に設けていたが、両者が一体となっている構成としても良い。この構成によれば、エアコンプレッサＡＣの構成部品数を減らすことができる。
【００４０】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例ではエアコンプレッサＡＣは２軸式でロータが繭形状のルーツ式のものとしたが、その他に、例えばスクリュー式や一軸式のものでも良く、回転式のものであれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池システムの概略構成図
【図２】エアコンプレッサの断面図
【図３】エアコンプレッサのポンプ室の断面図
【図４】オイルシール及び水シールのシール性を説明するための模式図
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池スタック
１１…空気系統
１２ｅ…排出配管
１２ｒ…循環配管
１２ｓ…供給配管
１３…水素系統
１４ｓ…水素供給配管
１４ｅ…水素排出配管
１５…エアクリーナ（エアフロメータ付き）
２０…ポンプ室
２０Ｗ…ポンプ室内壁
２１ａ…主回転軸
２１ｂ…従回転軸
２２、２４…隔壁
２３…ギヤ室
２３ａ…第１のギヤ
２３ｂ…第２のギヤ
２５ａ…第１のベアリング
２５ｂ…第２のベアリング
２７ａ…第１のロータ
２７ｂ…第２のロータ
３０…吸入口
３１…排出口
１００…モータ
ＡＣ…エアコンプレッサ
ＯＳ…オイルシール
ＯＳｒ…オイルシールのリップ部
ＶＬ１…調圧バルブ
ＶＬ２…循環量調節バルブ
ＷＳ…水シール
ＷＳｒ…水シールのリップ部
【図１】
2007231837.tif 000003
【図２】
2007231837.tif 000004
【図３】
2007231837.tif 000005
【図４】
2007231837.tif 000006