流体压缩机和燃料电池车辆的制作方法

流体压缩机和燃料电池车辆的制作方法
【专利摘要】本发明涉及流体压缩机和燃料电池车辆。作为流体压缩机的空气压缩机（36）包括：吸入端口（84）和输送端口（88），所述吸入端口（84）和输送端口（88）分别设置在泵室（66）的上部和下部；吸入通道（86），所述吸入通道（86）经由吸入端口（84）与泵室（66）的内部连通；输送通道（90），所述输送通道（90）经由输送端口（88）与泵室（66）的内部连通；以及驱动转子（78）和从动转子，所述驱动转子（78）和从动转子设置在泵室（66）中。吸入通道（86）的至少一部分位于吸入端口（84）的下方。
【专利说明】流体压缩机和燃料电池车辆
[0001] 分案申请说明
[0002] 本申请是申请号是201080025655. 4、申请日是2010年4月19日、发明名称是"流 体压缩机和燃料电池车辆"的中国发明专利申请的分案申请。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及一种流体压缩机和配备有该流体压缩机的燃料电池车辆，所述流体压 缩机包括：上部端口和下部端口，所述上部端口和下部端口分别位于泵室的上部和下部； 上部通道，所述上部通道经由上部端口与泵室的内部连通；下部通道，所述下部通道经由下 部端口与泵室的内部连通；以及转子，所述转子设置在泵室中。

【背景技术】
[0004] 燃料电池系统预计具有燃料电池组，该燃料电池组通过诸如含氢气体的燃料气体 与诸如空气的氧化气体之间的电化学反应来产生电力。所述燃料电池组例如是通过堆叠多 个燃料电池套件和隔板来构成的，每个燃料电池套件都具有膜电极组件(MEA )，该膜电极组 件（MEA)由阳极、电解质膜和阴极构成。即，每个单元的燃料电池单元是通过分别将阳极和 阴极放置在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两个相反侧来构成的。然后，MEA被放 置在两个隔板之间。通过堆叠多个单独的单元燃料电池并将该组夹持在集电板、绝缘板与 端板之间来构成产生高电压的燃料电池组。
[0005] 在这种燃料电池中，燃料气体被供应至阳极，而氧化气体被供应至阴极。然后，该 燃料气体和氧化气体经历电化学反应以产生电力。
[0006] 例如，车辆可配备有上述燃料电池系统，以将燃料电池产生的电力供应至用于驱 动车轮的驱动马达。在这种情况下，燃料电池用作该驱动马达的电源。
[0007] 在燃料电池系统中，使用诸如空气压缩机的流体压缩机来将氧化气体供应至燃料 电池。氢气废气，即从燃料电池中排出的含有未反应氢气的氢气，也可以在循环通道中与新 鲜的氢气混合。混合后的氢气被供应至燃料电池以提高燃料效率。在这种情况下，流体压 缩机是氢气泵，并且该氢气泵设置在循环通道中。
[0008] 日本专利申请公报No. 2005-180421( JP-A-2005-180421)描述了一种氢气压缩机， 其具有：泵室，该泵室由泵外壳的内表面和轴承座的内表面限定；以及双叶片转子，该双叶 片转子设置在所述泵室中。在该泵室的底部中央形成有输送端口，并且引导表面被形成为 朝着该输送端口的开口边缘向下倾斜的倒置圆截锥形状。所述氢气压缩机的好处之一是： 已经被抽入或凝结在泵室中的水通过该输送端口流出，并不残留在泵室的底部。
[0009] 如果诸如氢气泵或空气压缩机的流体压缩机处在温度低于零度的环境中时，在两 个转子之间或者在转子与外壳之间的间隙中残留的水可能冻结。在这种情况下，冰的附着 力可能使流体压缩机难以甚至不可能顺利地重新启动。而且，如果在转子的凹部中形成有 冰，则当流体压缩机重新启动时，冰可能会卡在转子之间，并且使流体压缩机难以顺利启 动。此外，在最小化对转子的损坏方面还存在改进的空间。
[0010] 一般来说，燃料电池系统具有氧化气体流动路径，以将空气供应至燃料电池并且 从燃料电池中排出空气废气，即反应后的空气。当空气中含有的水蒸汽在该氧化气体流动 路径中凝结时，水可能从上游侧流入位于该氧化气体流动路径上游的空气压缩机中或者从 下游侧流(回)到该空气压缩机中。然后，如果空气压缩机处于低温环境中，则可能在空气压 缩机的泵室中形成冰。在配备有燃料电池系统的燃料电池车辆的情形中，由于通常在所述 室的内侧和外侧之间存在的温度差，水易于如上所述地凝结。此外，该燃料电池车辆在雨中 或雪地上行进时抛起的水或雪可能被空气压缩机吸入，并在压缩机内冻结。
[0011] 鉴于上述情形，希望有一种防止过量的水进入流体压缩机中的方法。相比之下， 对于JP-A-2005-180421中描述的氢气压缩机，考虑了确保该泵室中存在的水朝着输送端 口顺利地流动，但没有考虑防止水进入泵室中。它还构思了 ：为了即使在流体压缩机中已 经形成冰的情况下也使流体压缩机的重新启动成为可能，增加对转子进行驱动的马达的输 出，或者在燃料电池系统关闭之后，在指定的时间段内以相对高的转速驱动流体压缩机来 实施扫气操作，以引导诸如空气的流体流过该流体压缩机，并将流体压缩机中的水排出。然 而，这样的结构可能浪费能源。


【发明内容】

[0012] 本发明防止了过量的水进入燃料电池车辆的流体压缩机中。
[0013] 本发明的第一方面涉及一种流体压缩机，其包括：泵室；上部端口，所述上部端口 设置在泵室的上部处；上部通道，所述上部通道经由所述上部端口与所述泵室的内部连通； 下部端口，所述下部端口设置在所述泵室的下部处；下部通道，所述下部通道经由所述下部 端口与所述泵室的内部连通；以及转子，所述转子设置在所述泵室中，并且所述转子旋转以 压缩通过所述上部端口和所述下部端口中的一个端口引入所述泵室中的流体，并将所述压 缩流体通过所述上部端口和所述下部端口中的另一个端口排出，其中所述上部通道的至少 一部分位于所述上部端口的下方。
[0014] 根据该流体压缩机，因为经由上部端口与所述泵室的内部连通的上部通道的至少 一部分位于上部端口的下方，所以，即使凝结水已经积聚在上部通道的壁表面上，也可以将 水容易地排出到外部，并且可以防止过量的水从上部端口侧进入泵室中。因此，不太可能发 生由已进入泵室中的水形成冰以及由于在泵室中形成冰而引起的诸如无法顺利地重新启 动空气压缩机的故障。
[0015] 所述泵室可以限定在外壳内。上部端口和下部端口可以穿过该外壳的壁部而形 成。可与一个管道连接的上部连接构件可以固定至外壳的上部，并且上部通道被限定在上 部连接构件内。可与另一个管道连接的下部连接构件可以固定至外壳的下部，并且下部通 道被限定在下部连接构件内。
[0016] 根据上述流体压缩机，在外壳以及上部连接构件和下部连接构件是分离部件的构 造中，不太可能发生由于在泵室中形成冰而引起的故障。
[0017] 上部通道可以具有下边缘，该下边缘从上部端口侧逐渐向下倾斜或弯曲至上部通 道的管道连接端侧。
[0018] 根据上述流体压缩机，已经积聚在上部通道的壁表面上的水容易排出到外部。 [0019] 上部端口的上部通道侧端部的至少一部分可以位于上部端口的泵室侧端部的下 方。
[0020] 根据上述流体压缩机，已经积聚在上部端口的壁表面上的水容易排出到外部。
[0021] 下部通道的至少一部分可以位于下部端口的下方。
[0022] 根据上述流体压缩机，即使水已经积聚在下部通道的壁表面上，也可以将水容易 地排出到外部，并且可以防止过量的水从下部端口侧进入泵室中。例如，即使下部通道处于 输送侧，也防止了已经从泵室排出的水流回泵室中。因此，不太可能发生由于在泵室中形成 冰而引起的故障。
[0023] 下部端口可以包括与泵室的内表面的最下端一致的部分，并且下部端口可以从泵 室的底表面或从包括该最下端的侧壁表面向下延伸。
[0024] 根据上述流体压缩机，即使水已经进入泵室或者已经在泵室中凝结，水也容易排 出并且防止其残留在泵室中，并且更不太可能发生由于在泵室66中形成冰而引起的故障。
[0025] 上部通道可以用作通过上部端口将流体引入泵室中的吸入通道，并且下部通道可 以用作通过下部端口输送来自泵室的流体的输送通道。
[0026] 下部通道可以用作通过下部端口将流体引入泵室中的吸入通道，并且上部通道可 以用作通过上部端口输送来自泵室的流体的输送通道。
[0027] 转子可以具有螺旋形凸脊。例如，转子可以是具有相对于轴向方向呈螺旋状地扭 转的多个叶片的扭转式罗茨转子，或者转子可以是具有螺纹状凸脊的螺杆转子。
[0028] 根据上述流体压缩机，即使在转子上存在有水时，水也容易沿着凸脊向下流动，这 使得在空气压缩机停止之后，水不太可能停留在转子上。
[0029] 流体压缩机可以用来压缩用于通过反应气体的反应来产生电力的燃料电池的反 应气体。
[0030] 根据上述流体压缩机，因为水是在反应气体的反应期间产生的，所以，由于经由上 部端口与所述泵室的内部连通的上部通道的至少一部分位于上部端口的下方的结构，能够 获得一定的优点。
[0031] 流体压缩机可以用作对氧化气体而非氢气进行压缩的空气压缩机。
[0032] 本发明的第二个方面涉及一种燃料电池车辆，所述燃料电池车辆配备有燃料电池 系统。该燃料电池系统包括通过反应气体的反应来产生电力的燃料电池以及对反应气体进 行压缩的流体压缩机。该流体压缩机可以是上述流体压缩机中的任一种。
[0033] 根据本发明的燃料电池车辆，因为燃料电池车辆趋于处在温度低于0°C的低温环 境中，并且趋于处在如下这种状况中：即，由于在雨中或雪地上行驶，水可能进入空气压缩 机。经由上部端口与泵室的内部连通的上部通道具有由于经由上部端口与泵室的内部连通 的上部通道的至少一部分位于上部端口的下方的结构而能够获得的优点。
[0034] 燃料电池车辆可以进一步包括：控制单元，如果确定出在车辆停车之后、具有规定 温度或更低温度的低温状况已经持续了一段指定的时间，则所述控制单元控制流体压缩机 以驱动转子。例如，该控制单元使转子例如旋转几圈。
[0035] 在上述燃料电池车辆中，即使水由于表面张力而残留于在转子之间或者在转子与 泵室中的外壳之间的间隙中，并且在车辆停车之后没有向下流动，转子的旋转也导致水向 下流动并容易排出到泵室之外。
[0036] 如果确定出在车辆停车之后周围环境温度在规定的时间段内没有超过阈值温度， 则控制单元可以控制流体压缩机以便以固定的时间间隔以可旋转方式驱动转子多次。
[0037] 根据本发明的流体压缩机和燃料电池车辆，能够防止过多的水进入流体压缩机 中。

【专利附图】

【附图说明】
[0038] 从以下参考附图进行的示例性实施例的描述中，本发明的上述及其他特征和优点 将变得显而易见，在附图中，使用相同的附图标记来表示相同的元件，其中：
[0039] 图1是根据本发明第一实施例的燃料电池车辆的基本构造；
[0040] 图2是第一实施例的包括流体控制阀的燃料电池系统的基本构造；
[0041] 图3是图示了图2所示的空气压缩机的示意性截面图；
[0042] 图4是沿着图3的线A-A截取的剖视图；
[0043] 图5是图3的部分B的局部简化的放大视图；
[0044] 图6是对应于图5的视图，其图示了吸入管部的第二示例；
[0045] 图7是对应于图3的视图，但省略了转子；
[0046] 图8是图示了作为转子的另一个示例的扭转式罗茨转子的透视图；
[0047] 图9是根据本发明第二实施例的空气压缩机的示意性截面图；
[0048] 图10显示了根据本发明第三实施例的包括流体控制阀的燃料电池系统的基本构 造；
[0049] 图11是图10所示的空气压缩机的示意性截面图；并且
[0050] 图12是显示了在车辆停车之后控制根据第三实施例的空气压缩机的方法的流程 图。

【具体实施方式】
[0051] 图1至图7图示了本发明的第一实施例。图1显示了根据第一实施例的燃料电池 车辆的基本构造。如图1所示，燃料电池车辆10配备有燃料电池系统12。燃料电池系统 12包括作为燃料电池的燃料电池组（FC)13。燃料电池车辆10包括设置在车辆前部处的蓄 电池14和燃料电池组13,该蓄电池14用作二次电池以储存电力（图1的左手侧)。燃料电 池组13连接到蓄电池14,并且由燃料电池组13产生的电力被供应至蓄电池14,以对蓄电 池14充电。蓄电池14和燃料电池组13连接到作为车辆驱动源的两个驱动马达16,所述两 个驱动马达16经由增压器转换器或逆变器(未显示)设于车辆的沿其横向方向（图1的坚直 方向)的两个相反侧，使得来自蓄电池14或燃料电池组13的电力可以供应至每个驱动马达 16。每个驱动马达16均包括旋转轴并且经由离合器机构（未显示）分别联接至相应的车轮 18,使得车轮18由驱动马达16驱动。燃料电池组13可以间接连接到驱动马达16,使得来 自燃料电池组13的电力经由蓄电池14被供应至每个驱动马达16。
[0052] 应该指出，燃料电池车辆10也可以仅具有一个驱动马达16,并且驱动马达16可以 被联接以利用驱动两个车轮18的车轴(未显示）经由包括离合器机构的动力传递机构来传 递动力。在这种情况下，也可以仅将电力从蓄电池14供应至驱动马达16。根据本发明的燃 料电池车辆不限于此构造，只要燃料电池车辆配备有如下燃料电池即可：电力能够从该燃 料电池供应至至少一个驱动马达或电力储存装置。包括流体控制阀(稍后描述)的燃料电池 系统不限于用在车辆中，而是可以用在其它应用中。
[0053] 接下来，将描述燃料电池系统12。如图2所示，燃料电池系统12包括燃料电池组 13和控制单元20。燃料电池组13包括堆叠在彼此顶部上的多个单元燃料电池以及位于燃 料电池组13的两个相反端处的集电板和端板。所述多个单元燃料电池、集电板和端板通过 拉杆和螺母等夹紧在一起。在集电板和端板之间可设置有绝缘板。
[0054] 虽然没有给出每个单元燃料电池的详细图，但每个单元燃料电池例如包括：膜组 件，该膜组件通过将电解质膜夹在阳极和阴极之间而形成；以及隔板，该隔板设置在膜组件 的每一侧。含有氢的燃料气体可以被供应至阳极，并且空气可以被供应至阴极。由阳极处 的催化反应生成的氢离子穿过电解质膜转移到阴极，其中氢离子经历与氧气的电化学反应 而产生水。而且，电子通过外部电路从阳极转移到阴极以产生电动势。即，燃料电池组13 通过氧化气体和燃料气体之间的电化学反应来产生电力。
[0055] 燃料电池系统12包括：氧化气体供应通道22,空气通过该氧化气体供应通道22 被供应至燃料电池组13 ;氧化气体派生气排出通道24,空气废气通过该氧化气体派生气排 出通道24从燃料电池组13被排出，所述空气废气是已经在燃料电池组13的阴极上用于电 化学反应的空气(氧化气体）;燃料气体供应通道26,氢气通过该燃料气体供应通道26被供 应至燃料电池组13 ;燃料气体派生气排出通道28,氢气废气通过该燃料气体派生气排出通 道28被从燃料电池组13排出，该氢气废气是燃料气体派生气，即已经在燃料电池组13的 阳极上用于电化学反应的氢气；以及燃料气体循环通道30。空气入口 32、空气滤清器34以 及空气压缩机36位于氧化气体供应通道22的上游部中，该空气滤清器34从空气中去除异 物，空气压缩机36是流体控制阀。由空气压缩机36加压的空气被加湿器38加湿，然后被 供应至燃料电池组13的阴极侧内部通道。空气压缩机36包括泵40和马达42。通过驱动 该马达42,泵40被驱动，并且马达42的驱动由控制单元20控制。
[0056] 空气废气通过氧化气体派生气排出通道24被从燃料电池组13排出，然后在其已 经经过加湿器38之后通过压力控制阀(未显示)排出到大气中。加湿器38还对空气废气除 湿并使用所获得的水分来对被供应至燃料电池组13的空气进行加湿。
[0057] 诸如高压氢气罐(未显示)的燃料气体供应装置位于燃料气体供应通道26的上游。 氢气经由燃料气体供应阀44被从燃料气体供应装置供应至燃料电池组13,该燃料气体供 应阀44可以是电磁阀。
[0058] 氢气废气，即已经用于电化学反应的氢气，通过燃料气体派生气排出通道28被从 燃料电池组13排出。该氢气废气还含有未反应的氢气。燃料气体循环通道30被设置成使 从燃料电池组13排出的氢气废气再循环到燃料气体供应通道26并进入燃料电池组13。
[0059] 氢气泵46设置在燃料气体循环通道30中。氢气泵46使氢气废气通过燃料气体 循环通道30返回至燃料气体供应通道26,并使氢气废气与从氢气源供应的氢气混合以使 氢气废气再循环至燃料电池组13。氢气泵46包括泵48和马达50。通过驱动该马达50,泵 48被驱动，并且马达50的驱动由控制单元20控制。
[0060] 在燃料气体派生气排出通道28和燃料气体循环通道30之间的连接部处设置有气 液分离器52。通风排水通道54连接到气液分离器52,并且在通风排水通道54中设置有放 空阀56,该放空阀56可以是电磁阀。通过气液分离器52和放空阀56被供给到下游侧的氢 气废气在稀释装置(未显示）中与通过氧化气体派生气排出通道24供应的空气废气混合以 充分降低氢浓度，然后排出到外部。
[0061] 空气压缩机36、氢气泵46、燃料气体供应阀44和放空阀56连接到控制单元20。 被称为ECU的控制单元20向驱动空气压缩机36的马达42和氢气泵46的马达50的逆变 器(未显示）输出控制信号，并且输出控制信号以控制燃料气体供应阀44和放空阀56的打 开和关闭。
[0062] 用作燃料电池系统12的点火开关的启动器开关(未显示）被连接到控制单元20。 当从该启动器开关接收到发电开始信号，即接收到燃料电池激活指令信号时，执行发电开 始处理，而当接收到发电停止信号时，执行发电操作停止处理程序。换句话说，控制单元20 控制燃料电池组13中的发电。控制单元20包括具有CPU、存储器等的微型计算机。
[0063] 在氧化气体供应通道22和氧化气体派生气排出通道24之间设置有旁路通道58。 旁路通道58改变从氧化气体供应通道22的上游侧供给的空气的方向并将其通过氧化气体 派生气排出通道24排出，而不经过燃料电池组13。上游的三通阀60设置在氧化气体供应 通道22和旁路通道58之间的连接部处，而下游的三通阀62设置在氧化气体派生气排出通 道24和旁路通道58之间的连接部处。每个三通阀60和62均连接到控制单元20,并且控 制单元20可以基于被供应至燃料电池组13的空气的压力等来改变经过每个三通阀60和 62的气流的方向。上游的三通阀60将通过氧化气体供应通道22供给的空气选择性地引导 至燃料电池组13或旁路通道58。下游的三通阀62将从旁路通道58的上游侧供给的空气 选择性地引导成向下游流动或切断该气流。对于图中的代表三通阀的三角形，白色三角形 表示该通道是打开的，而黑色三角形表示该通道是关闭的。因此，在图2所示的构造中，没 有空气被供给到旁路通道58。每个三通阀60和62均用来控制被供应至燃料电池组13的 空气的压力。加湿器38可以省略。
[0064] 接下来参考图3至图8,将详细描述用作流体控制阀的空气压缩机36的构造。如 图3所示，空气压缩机36是容积压缩型的螺杆式压缩机，其具有相对于y方向即坚直方向 倾斜的本体。在空气压缩机36中，马达42经由正时齿轮64被联接至泵40的下端。泵40 具有：外壳68,在外壳68中限定有泵室66 ;用作上部连接构件的吸入管72,该吸入管72被 固定至顶板70的上表面，该顶板70用作外壳68的壁部；以及用作下部连接构件的输送管 部76,该输送管部76被固定至外壳68的向下倾斜延伸的侧壁部74的下端。换句话说，吸 入管部72和输送管部76分别被固定至外壳68的上部和下部。驱动转子78和从动转子(未 显示)被彼此平行地以可旋转方式支撑在外壳68中。驱动转子78具有驱动轴，该驱动轴具 有在其外周表面上形成的螺纹部80。该驱动轴联接到马达42的旋转轴，并且通过驱动该旋 转轴而旋转。如驱动转子78 -样，所述从动转子具有从动轴，该从动轴具有在其外周表面 上形成的螺纹部。正时齿轮64具有齿轮外壳82,该齿轮外壳82内包括两个正时齿轮(未显 示)。这两个正时齿轮被分别固定至驱动轴的下端和从动轴的下端并且彼此啮合。因此，驱 动轴和从动轴同步旋转。马达42的旋转轴联接至从正时齿轮中的一个正时齿轮向下延伸 的驱动轴的下端部。该驱动轴和从动轴相对于y方向和X方向倾斜，X方向即水平方向。
[0065] 形成有吸入端口 84,该吸入端口 84是沿顶板部70的厚度方向在外壳68的上端 处穿过顶板部70延伸的上部端口。如图4所示，吸入端口 84具有大致C形的轴向截面，以 避开在驱动轴和从动轴的上端处的旋转支撑部(未显示)。如图3所示，吸入管72中限定有 用作上游通道的吸入通道86,其具有在吸入管部72的端面中开口的第一端（图3中的左端） 以及与吸入端口 84连通的第二端（图3中的右端)。一个另外的管道(未显示）的一端可以 通过螺栓连接至吸入管部72的端面（图3中的左端面)。因此，可以在吸入管部72的该端 面处设置有螺栓孔，以接收安装螺栓。
[0066] 在侧壁部74的面向输送管部76的下端处，用作下部端口的输送端口 88穿过侧壁 部74而形成。输送管部76中限定有输送通道90,其具有在输送管部76的端面中开口的第 一端（图3中的左端）以及与输送端口 88的端部连通的第二端（图3中的右端)。另一个另 外的管道(未显示）的一端可以通过螺栓连接至输送管部76的端面（图3中的左端面)。例 如，在输送管部76的该端面中可以形成有螺栓孔，以接收安装螺栓。管部72和76中的每 一个均可以在各个管部72和76的管道连接端处设置有凸缘，该凸缘中形成螺栓孔。
[0067] 当转子78旋转时，由位于转子78的螺纹部的各个圈与外壳68的内表面之间的螺 纹凹槽限定的封闭空间从泵室66中的吸入侧移动至输送侧，而且，在压缩通过吸入管部72 引入泵室66中的空气的同时，将压缩空气通过输送管部76排出到外部。在这种情况下，吸 入通道86把从与吸入管部72连接的管道的上游侧引入的空气通过吸入端口 84引入泵室 66中。输送通道90将已经在泵室66中被压缩的空气输送到与输送管76连接的管道(未显 示)。
[0068] 如图5中详细示出的，吸入端口 84的吸入通道侧端部、即上游端部的下端P1位于 吸入端口 84的泵室66侧端部、即下游端部的下端P2的下方。而且，吸入通道86的沿着流 动方向的下边缘L1以这样的方式倾斜：从吸入端口 84侧逐渐向下倾斜到管道连接侧。换 句话说，在吸入通道86的沿流动方向截取的截面中，沿流动方向的下边缘L1向下倾斜。另 夕卜，吸入通道86的至少一部分位于吸入端口 84的下方。更具体地，吸入通道86的下边缘 L1从吸入端口 84的下边缘L1A向下延伸。吸入通道86的底部的最上部连接至吸入端口 84的下端P1，即连接到吸入端口 84的吸入通道86侧端部的最下部。
[0069] 如图3所示，泵室66的底表面92 (图3中的下端面)是大致垂直于转子78的轴向 方向延伸的平坦表面，输送端口 88和输送通道90的沿流动方向的下边缘位于包括底表面 92的假想平面内。输送端口 88和输送通道90的下边缘位于与转子78的轴线垂直的直线 上。输送端口 88包括与泵室66的内表面的最下端一致的部分，并且从泵室66的底表面92 直接向下延伸。因此，泵室66的底表面92以及输送端口 88和输送通道90的下边缘彼此 齐平。而且，输送通道90的下边缘L2从输送端口 88逐渐向下倾斜至管道连接侧。换句话 说，在输送通道90的沿流动方向截取的截面中，沿流动方向的下边缘L2向下倾斜。另外， 输送通道90的至少一部分位于输送端口 88的下方。
[0070] 吸入通道86和输送通道90的下边缘也可以弯曲。例如，图6是图示了吸入端口 84和吸入管部72的第二示例的视图。吸入端口 84的下边缘L1A可以与诸如驱动转子78 (见图3)的一个转子的轴向方向平行地延伸，并且吸入端口 84的吸入通道86侧端部位于 吸入端口 84的泵室66侧端部的上方。即，吸入端口 84的上游端部的下端P1A位于吸入端 口 84的下游端部的下端P2A的上方。而且，吸入通道86的沿流动方向的下边缘L1从吸入 端口 84侧逐渐向下倾斜至管道连接侧。换句话说，在吸入通道86的沿流动方向截取的截 面中，沿流动方向的下边缘L1以向上呈凸形的方式向下弯曲。然而，应当注意，吸入通道86 的下边缘L1不必全部位于吸入端口 84的下方，并且，输送通道90 (图3)的下边缘L2不必 全部位于输送端口 88 (图3)的下方。
[0071] 在图3和图5所示的空气压缩机36或者图6所示的空气压缩机36的第二示例的 情况下，能够防止过多的水进入空气压缩机36中。在此方面，将参考图7描述图3和图5所 示的空气压缩机36的防水进入功能。在图7中，白色箭头Q1和Q2分别表示空气流入空气 压缩机36的方向和空气流出空气压缩机36的方向。而且，箭头R表示水流动的方向。箭 头S表示水在泵室66中的驱动转子78 (见图3)上向下流动的方向。如图7所示，因为吸 入通道86的至少一部分位于吸入端口 84的下方并且吸入通道86的下边缘L1位于吸入端 口 84的下边缘L1A的下方，所以，已经积聚在吸入通道86的壁表面上的水流到管道连接侧 (图7中的向左方向），如通过箭头R表示的，由此防止过量的水进入泵室66中。另外，即使 水已经进入泵室66或如果水已经在泵室66中凝结，水也在泵室66中的底表面92上流动 并且容易通过输送端口 88和输送通道90排出到外部。
[0072] 如上所述，因为通过吸入端口 84与泵室66的内部连通的吸入通道86的至少一部 分位于吸入端口 84的下方，所以，即使诸如凝结水的水已经积聚在吸入通道86的壁表面 上，水也可以容易地排出到外部，并且能够防止过多的水从吸入端口 84侧进入泵室66。因 此，不太可能发生由已经进入泵室66中的水形成冰以及由于在泵室66中形成冰而引起的 诸如不能顺利地重新启动空气压缩机36的故障。
[0073] 另外，泵室66被限定在外壳68内，并且吸入端口 84和输送端口 88分别穿过顶板 部70和侧壁部74而形成，所述顶板部70和侧壁部74中的每一个均形成外壳68的一部分。 吸入通道86被限定在吸入管部72内，所述吸入管部72被固定至外壳68的上部并且可连 接至一个管道。可与另一个管道连接的输送管部76被固定至外壳68的下部，并且输送通 道90被定在输送管部76内。因此，在外壳68、吸入管部72和输送管部76是分离部件的构 造中，不太可能发生由于在泵室66中形成冰而引起的故障。该流体压缩机不限于具有外壳 以及分离的吸入管部和输送管部的流体压缩机，而是吸入管部和输送管部可以与其内限定 有泵室的外壳一体形成。在这种情况下，每个管部均从形成该外壳的一部分的壁部向外突 出，并且每个端口均穿过壁部而形成并且具有等于壁部厚度的长度。
[0074] 另外，因为吸入通道86的底部部分被倾斜或弯曲以从吸入端口 84逐渐向下倾斜 至吸入通道86的管道连接侧，所以，已经积聚在吸入通道86的壁表面上的水可以更有效地 排出到外部。
[0075] 在图5和图7所示的构造中，因为吸入端口 84的下端P1 (吸入通道86侧端部)位 于吸入端口 84的下端P2 (泵室66侧端部）的下方，所以，已经积聚在吸入端口 84的壁表 面上的水能够更有效地排出到外部。
[0076] 另外，因为输送通道90的至少一部分位于输送端口 88的下方，所以，即使水已经 积聚在输送通道90的壁表面上，水也可以容易地排出到外部，并且可以防止过量的水从输 送端口 88侧进入泵室66中。换句话说，即使输送通道90位于泵室66的下方，如该实施例 中那样，也防止了已经从泵室66排出的水流回泵室66中。因此，不太可能发生由于在泵室 66中形成冰而引起的故障。
[0077] 输送端口 88包括位于底表面92上的下边缘a(图3)，并且从泵室66的底表面92 无任何阶差地直接向下延伸。因此，即使水已经进入泵室66中或者已经在泵室66中凝结， 水也可以容易地排出并且更有效地防止其残留在泵室66中，并且不太可能发生由于在泵 室66中形成冰而引起的故障。
[0078] 因为驱动转子78和从动转子中的每一个均具有螺纹部，即螺旋形凸脊，所以，即 使转子78上存在有水，该水也容易沿着螺纹向下流动，这使得在空气压缩机36因为车辆停 车而停止之后，水不太可能残留在转子78上。
[0079] 另外，因为使用空气压缩机36来压缩空气，所以吸入通道86具有通过使吸入通道 86的一部分位于吸入端口 84的下方的结构而能够获得的优点。
[0080] 该实施例的配备有包括上述空气压缩机36的燃料电池系统12的燃料电池车辆趋 于处在温度低于〇°C的低温环境中，并且趋于处在如下这种状况中：S卩，由于在雨中或雪地 上行驶，水可能进入空气压缩机36中。因此，经由吸入端口 84与泵室66的内部连通的吸 入通道86的底部具有通过使吸入通道86的一部分位于吸入端口 84的下方的结构而能够 获得的优点。
[0081] 在上面的示例中，已经描述了驱动转子78和从动转子中的每一个均带有螺纹并 且空气压缩机36是容积压缩型的螺杆式压缩机的情况。然而，本发明不限于该构造。例如， 驱动转子78和从动转子可以是扭转式罗茨转子。图8图示了空气压缩机中包括的作为转 子的第二示例的扭转式罗茨转子。设置在空气压缩机36中的驱动转子94和从动转子96 具有相对于轴向方向沿相同方向扭转的多个螺旋形叶片98。上面已经描述过的实施例适用 于使用转子94和96的容积压缩型的扭转罗茨式空气压缩机。
[0082] 图9图示了根据本发明第二实施例的空气压缩机。在第二实施例中，吸入端口 84 位于外壳68的下部处，并且输送端口 88位于外壳68的上部处。其内限定有吸入通道86 的吸入管部72被固定至外壳68的下部，并且，其内限定有输送通道90的输送管部76被固 定至外壳68的上部。
[0083] 即，对于第一实施例，空气压缩机36是容积压缩型的螺杆式压缩机，其具有相对 于y方向、即坚直方向倾斜的本体。在空气压缩机36中，马达42经由正时齿轮64联接至泵 40的上端。输送管部76用作泵40的上部连接构件并且被固定至外壳68的上侧壁部74A 的上端，并且吸入管部72用作泵40的下部连接构件，其被固定至外壳68的底板部100的 下表面。每一个上均形成有螺纹部的驱动转子78 (见图3)和从动转子设置在外壳68中。
[0084] 输送端口 88形成在上侧壁部74A的上端处，该输送端口 88是沿外壳68的上侧壁 部74A的厚度方向穿过该上侧壁部74A延伸的上部端口。输送管部76中限定有作为上游 通道的输送通道90,其具有在输送管部76的端面中开口的第一端（图9中的右端）以及与 输送端口 88的端部连通的第二端（图9中的左端)。
[0085] 形成有吸入端口 84,该吸入端口 84是穿过底板部100延伸的下部端口，所述底板 部100沿其厚度方向面向外壳68的吸入管部72。吸入管部72中限定有作为下游通道的吸 入通道86,其具有在吸入管部72的端面中开口的第一端（图9中的右端）以及与吸入端口 84的端部连通的弟_端（图9中的左端)。
[0086] 输送端口 88的下边缘的与经由输送端口 88而与泵室66的内部连通的输送通道 90靠近的端部低于输送端口 88的靠近泵室66的下边缘。输送通道90的沿流动方向的下 边缘从输送端口 88侧逐渐向下倾斜至管道连接侧(该图中的左侧)。换句话说，在输送通道 90的沿流动方向截取的截面中，沿流动方向的下边缘向下倾斜。另外，输送通道90的至少 一部分位于输送端口 88的下方。
[0087] 吸入端口 84包括与泵室66的内表面的最下端β -致的部分，并且吸入端口 84 从泵室66的侧壁表面102的内表面直接向下延伸。而且，吸入通道86的下边缘弯曲以从 吸入端口 84侧逐渐向下倾斜至管道连接侧。另外，吸入通道86的至少一部分位于吸入端 口 84的下方。
[0088] 在上述实施例中，因为输送通道90的至少一部分位于输送端口 88的下方，所以， 即使水已经积聚在输送通道90的壁表面上，水也可以容易地排出到外部，并且防止了过多 的水从输送端口 88侧进入泵室66中。在这种情况下，已经积聚在输送端口 88和输送通道 90的壁表面上的水如箭头R所示地向下流至管道连接侧，并且容易排出到外部。另外，已 经积聚在吸入端口 84和吸入通道86的壁表面上的水如箭头R所示地向下流动至管道连接 侦牝并且容易排出到外部。因此，不太可能发生形成冰以及由于已进入泵室66中的水形成 的冰而引起的诸如无法顺利地重新启动空气压缩机36的故障。除了输送端口 88与输送通 道90之间的位置关系之外，其它构造及效果与第一实施例的构造及效果相同，而且吸入端 口 84和吸入通道86在坚直方向上是相反的。而且在该实施例中，转子不限于带有螺纹的 转子，而是可以是诸如扭转罗茨式转子的另一种类型。
[0089] 图10至图12图示了本发明的第三实施例。如图10所示，在构成该实施例的燃料 电池车辆10 (见图1)的燃料电池系统12中，逆变器104连接至对空气压缩机36的泵40 进行驱动的马达42,使得从由蓄电池106提供的DC电流转换而来的AC电流可以供应至马 达42。逆变器104连接至控制单元（E⑶）20,并且E⑶20输出控制信号至逆变器104。利 用该构造，E⑶20经由逆变器104来控制马达42。E⑶20和逆变器104构成逆变器控制单 元（I⑶)108。温度传感器Ta设置在空气入口 32中以检测流经空气入口 32的空气的温度。 第二温度传感器Tb在氧化气体供应通道22中设置在空气滤清器34与空气压缩机36之间， 以检测流经氧化气体供应通道22的空气的温度。与设置成用于检测该部分中的流量的空 气流量计相附接的温度传感器可以用作第二温度传感器Tb。由温度传感器Ta和第二温度 传感器Tb检测到的温度被输入到控制单元20中。
[0090] 空气压缩机36如图11所示地构成。特别地，空气压缩机36是螺杆式压缩机，其 中，每个均具有螺纹部的驱动转子78 (见图3)和从动转子(未显示）被可旋转地设置，转子 78的轴向方向坚直延伸。整个空气压缩机36沿坚直方向设置。在空气压缩机36中，马达 42经由正时齿轮64联接至泵40的上端。泵40具有：吸入管部114,该吸入管部114从形 成外壳68的一侧（图11中的左侧）的侧壁部110的上端突出并与该上端一体形成；以及输 送管部116,该输送管部116从外壳68的底板部112的下表面突出并与该下表面一体形成。
[0091] 沿侧壁部110的厚度方向穿过该侧壁部110延伸的作为上部端口的吸入端口 84 形成在侧壁部110的上端处。吸入管114中限定有用作上部通道的吸入通道86。吸入管 114和吸入通道86相对于坚直方向倾斜，其中该吸入通道86的至少一部分位于吸入端口 84的下方。吸入端口 84的下边缘和吸入通道86的下边缘相对于坚直方向是倾斜的。
[0092] 沿外壳68的厚度方向穿过该外壳68延伸的输送端口 88穿过与外壳68的输送管 部116面向的底板部112的一部分而形成。输送管部116和其内限定的输送通道90大致 坚直延伸，并且输送通道90的管道连接端面向下。在这种情况下，底板部112几乎位于水 平假想平面上。在空气压缩机36中，通过适当地限定该吸入端口 84与吸入通道86之间的 位置关系，可以防止过量的水进入泵室66中。然而，如果在外壳68的底板部112中存在向 下凹陷的凹部等，如图11所示，则如果水进入泵室66或通过在泵室66中的凝结而形成水， 则可能如图11所示地在底板部112上形成水坑118。对于该构造，如果空气压缩机36处在 温度低于〇°C的低温环境中，则水可能冻结。空气压缩机36还可能在如下情况下处于低温 环境中：即，水由于表面张力而残留在位于两个转子(未显示）之间或者转子与外壳68的内 表面之间的小间隙中。在这种情况下，存在于这些间隙中的水可能冻结。在提高处于低温 环境下时的启动性能方面，空气压缩机36还具有改进空间。本实施例克服了该问题。
[0093] 在该实施例的燃料电池车辆10 (见图1)中，如果确定出温度在车辆停车之后已经 在规定的时间段内保持等于或低于阈值温度，则控制单元20控制空气压缩机36,以例如驱 动所述驱动转子78 (见图3)和从动转子旋转数圈。
[0094] 图12是显示在车辆停车之后控制空气压缩机36的方法的流程图。首先，在步骤 S12中，如果控制单元20例如通过在步骤S10中检测启动器开关是否断开而确定出燃料电 池系统12已关闭，则控制单元20激活温度传感器Ta和第二温度传感器Tb中的至少一个， 以便以预设的时间间隔检测温度并储存所检测到的温度。即，控制单元20利用温度传感器 Ta (或者Tb)开始温度监测。
[0095] 然后，在步骤S14中，控制单元20确定所检测到的温度是否已经在规定的时间段 内保持等于或低于阈值温度，例如〇°c或更低。如果确定出检测到的温度至少在规定的时间 段内已经等于或低于阈值温度，则该进程进行到步骤S16。在步骤S16中，控制单元20确定 在车辆停车之后空气压缩机36是否已经被强制旋转。如果确定出空气压缩机36已经被强 制旋转，则该进程进行到步骤18,在步骤18中，控制单元20驱动空气压缩机36的马达42， 以使空气压缩机36的每个转子强制地旋转数圈。
[0096] 相反，如果控制单元20在步骤S14中确定出检测到的温度至少在规定的时间段内 还没有等于或低于阈值温度，或者在步骤S16中确定出在车辆停车之后空气压缩机36已经 被强制旋转，则控制单元20的操作结束。
[0097] 在上述的该实施例中，即使水由于表面张力而残留在位于两个转子之间或者在转 子与泵室66的外壳68之间的间隙中并且在车辆停车之后没有向下流动，转子的旋转也使 残留的水向下流动并容易排出到泵室66之外。也就是说，即使转子仅旋转数圈，也足以使 残留在这些间隙中的水向下流动。另外，通过转子的旋转，已经积聚在底部上的水可以通过 输送端口 88容易地排出。应当注意，控制单元20可以在车辆停车之后在指定的时间段内 以规定的转速可旋转地驱动转子，以更有效地利用离心力。
[0098] 另外，因为如果在车辆停车之后空气压缩机36已经被强制旋转，则空气压缩机36 不再被强制旋转，所以可以防止蓄电池106的过度消耗。然而，如果控制单元20确定出电 池106中的电荷至少等于预定值，则步骤S16中的确定可以省略，并且可以执行空气压缩机 36的强制旋转数次。如果温度至少已经在规定的时间段内保持等于或低于阈值温度，则每 次控制单元20驱动转子时，控制单元20可以以固定的时间间隔驱动转子使得转子以预设 次数旋转多次。在这些构造的情况下，空气压缩机36中的水可以在车辆停车之后更容易地 排出到外部。
[0099] 尽管在该实施例中设置了温度传感器Ta和第二温度传感器Tb这两者，但也可以 仅设置单个温度传感器，并且来自该单个温度传感器的检测信号可以输入到控制单元20 中。因为其它的构造和效果与图1至图8所示的第一实施例的构造和效果相同，所以相同 的部件由相同的附图标记表示，以省略多余的图示和描述。
[0100] 尽管在上述每一个实施例中已经描述了具有两个转子、即驱动转子78和从动转 子的空气压缩机36,但本发明的流体压缩机也可适用于具有单个转子的空气压缩机。例如， 本发明适用于涡旋式流体压缩机的构造，其中单个螺旋形转子设置在外壳中，所述外壳中 包括螺旋形壁部。
[0101] 尽管在上述每一个实施例中已经就空气压缩机方面描述了本发明，但本发明不限 于这样的构造，而是还适用于例如对氢气废气进行加压和输送的氢气泵46 (见图2)。
【权利要求】
1. 一种燃料电池车辆，所述燃料电池车辆配备有燃料电池系统，其中所述燃料电池系 统包括通过反应气体的反应而产生电力的燃料电池，以及流体压缩机，所述流体压缩机压 缩所述反应气体；并且 所述流体压缩机包括： 栗室； 上部端口，所述上部端口设置在所述泵室的上部处； 上部通道，所述上部通道经由所述上部端口与所述泵室的内部连通； 下部端口，所述下部端口设置在所述泵室的下部处； 下部通道，所述下部通道经由所述下部端口与所述泵室的内部连通；以及 转子，所述转子设置在所述泵室中，并且所述转子旋转以便压缩通过所述下部端口被 引入所述泵室中的流体，然后将压缩流体通过所述上部端口排出， 其中，所述下部通道的至少一部分位于所述下部端口的下方。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其中： 所述下部通道从下部端口侧逐渐向下倾斜。
【文档编号】F04C29/00GK104088789SQ201410158024
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2010年4月19日 优先权日:2009年6月10日
【发明者】片野刚司, 正木大辅 申请人:丰田自动车株式会社