JP2024539102A - 燃料電池の給気システム - Google Patents

Abstract

【課題】コスト的に優れた構成を有する燃料電池の給気システムを提供することにある。【解決手段】本発明は燃料電池の給気システム（１）に関し、該給気システムは、回転可能な圧縮羽根車（３）と回転可能な膨張羽根車（４）とを収容し、圧縮部（５）と膨張部（６）とを含むハウジング（２）と、回転軸（１４）を回転駆動する電動機（８）とを備え、前記圧縮部（５）が前記圧縮羽根車（３）を収容するように構成されており、前記膨張部（６）が前記膨張羽根車（４）を収容するように構成されており、前記回転軸（１４）が少なくとも前記膨張羽根車（４）と一体回転するように前記膨張羽根車（４）に連結されており、前記電動機（８）が電動機ハウジング(７)に収容されている。本発明によれば、前記電動機ハウジング（７）は、前記電動機（８）を冷却するために、流れが該電動機ハウジングと前記ハウジング（２）との中を順次通過し得るように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は請求項１に記載の燃料電池の給気システムに関する。

駆動システムにおいては、また特に自動車の駆動システムでは、その駆動のための動力源として、燃料電池がますます多用されるようになってきた。燃料電池の稼働中には、その燃料電池へ空気中の酸素が供給されており、即ち給気が行われている。この用途に適した給気システムとしては、内燃機関（エンジン）の出力を増大させるための給気システムとしてその有効性が広く認められている、排気タービン式過給器（排気ターボチャージャー）と呼ばれる給気システムがある。

ただし、燃料電池から排出される排気はエンジンから排出される排気と比べてはるかに低温である。本開示においては燃料電池からの排気を膨張ガスと呼ぶが、その理由は、燃料電池からの排気は給気システムの膨張羽根車に作用してこれを回転駆動するガスであること、及び、燃料電池からの排気には一般的な排気ガスに特有の成分が含まれないことによる。そして、回転可能に配設された圧縮羽根車と、同じく回転可能に配設された膨張羽根車とを備え、膨張羽根車が圧縮羽根車と一体回転するように圧縮羽根車に連結されている給気システムにおいて、その膨張ガスの温度が低温であるならば、作動補助手段を備えることが必要となる。この作動補助手段としては、電動機（モーター）が適している。そして、その電動機の配設位置は、従来の技術概念に従うならば、圧縮羽根車と膨張羽根車との間、即ち、給気システムの圧縮部と給気システムの膨張部との間とされる。

本発明の目的はコスト的に優れた構成を有する燃料電池の給気システムを提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた燃料電池の給気システムにより達成される。その他の請求項は、本発明の好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な構成例を記載したものである。

本発明は燃料電池の給気システムに関する。本発明に係る給気システムは、回転可能な圧縮羽根車と回転可能な膨張羽根車とを収容するハウジングを備え、前記ハウジングは圧縮部と膨張部とを含み、前記圧縮部は前記圧縮羽根車を収容するように構成されており、前記膨張部は前記膨張羽根車を収容するように構成されている。また、回転軸を回転駆動する電動機を備えており、前記回転軸は少なくとも前記膨張羽根車と一体回転するように前記膨張羽根車に連結されており、前記電動機は電動機ハウジングに収容されている。本発明によれば、前記電動機を冷却するために、前記電動機ハウジングは流れが当該電動機ハウジングと前記ハウジングの中を順次通過し得るように構成されている。これによって、運転中に発熱する電動機を空冷方式で好適に冷却し得る、簡明な方式の、そしてコスト的に優れた冷却が可能となっている。空冷方式は特に有利な冷却方式であり、なぜならば、水冷方式では電動機及びハウジングへの冷却水の浸入を防止する封止構造が必要となり、そのため作業工程が増加して高コストとなるからである。

以上の如く構成するための２通りの構成形態が可能であり、それら２通りの構成形態のうちの一方の構成形態では、前記圧縮羽根車によって吸入される空気が、前記電動機ハウジングの中を通過させられて前記圧縮羽根車の中へ流入するようにしており、そのため、環境中の低温の外気は、先ず前記電動機ハウジングの中へ流入し、そして前記電動機ハウジングを通り抜けた後に、前記圧縮部の中で圧縮されて燃料電池へ供給される。この構成形態では、前記圧縮羽根車は、前記電動機ハウジングの中を通過させて空気を吸入するように前記ハウジングの中に配設されている。また、この構成形態とするための最も簡明な構成方式は、前記圧縮羽根車を前記膨張部と前記電動機ハウジングとの間に配設するというものであり、これによって、空気を前記電動機ハウジングから前記圧縮部へ直接的に流入させることが可能となる。

前記２通りの構成形態のうちの他方の構成形態では、前記膨張羽根車は、当該膨張羽根車の中を通過して流れる膨張ガスを前記電動機ハウジングの中へ送り込むように前記ハウジングの中に配設されている。この構成形態では、前記膨張羽根車は、前記圧縮羽根車と前記電動機ハウジングとの間に配設されていることが好ましく、それによって、前記膨張羽根車から流出する膨張ガスを前記電動機ハウジングの中へ直接的に送り込むことが可能となる。

前記２通りの構成形態は、空冷のための冷却媒体の流れの方向が互いに異なる。前記圧縮羽根車を利用して空気を冷却媒体とする構成形態では、環境中の空気を前記電動機ハウジングの中を通過させて前記圧縮部へと流入させている。一方、前記電動機ハウジングを冷却するための冷却媒体として膨張ガスを用いる構成形態では、前記膨張部から流出する膨張ガスを前記電動機ハウジングへ流入させた後にそこから環境中へ排出させている。

前記圧縮羽根車及び前記膨張羽根車はそれらが一体化された単一部品であり回転軸を有するシステム羽根車として構成されていることが好ましい。本発明に係る給気システムの利点として、圧縮羽根車及び膨張羽根車を一体化して単一部品としているため、従来公知のものと比べて軸方向寸法が格段に短縮された給気システムを提供し得ることが挙げられる。更に、給気システムの構成部品である例えば回転軸やハウジングなどを低コストで製作することができる。また更なる利点として、膨張ガスに混入している水素（または水分）や潤滑剤を給気システムの外へ導出できることが挙げられる。これによって潤滑剤が燃料電池内へ浸入するのを防止することが可能となっている。

前記システム羽根車は２種類の材料で製作したものとすることもでき、即ち、前記圧縮羽根車を第１材料で製作し、前記膨張羽根車を第１材料とは異なる第２材料で製作することも可能である。ただし、その場合には接合工程が必要となり、接合工程は通常かなり高コストである。一方、圧縮ガス及び膨張ガスの温度は、エンジンの機関本体の温度やエンジンの排気の温度として知られている温度とは比較にもならない低温であり、それゆえ、前記膨張羽根車を、前記第１材料と同等の材料（対応する材料）である第２材料で製作することも可能であり、そうすることで前記膨張羽根車を低コストで製作できる。換言するならば、これは、前記システム羽根車を単一材料で製作するということであるが、ただしその単一材料は、複合材料、及び／又は、合金材料、等々の材料とすることができる。

本発明に係る給気システムの１つの構成例では、前記圧縮部及び前記膨張部は、前記圧縮部を流れる圧縮ガスと前記膨張部を流れる膨張ガスとが壁面熱交換を行うように構成されている。換言するならば、圧縮ガスが流れる前記圧縮部及び膨張ガスが流れる前記膨張部は、膨張ガスによる圧縮ガスの冷却と圧縮ガスによる膨張ガスの加熱とが可能なように構成されている。こうすることで、簡明な構成で、圧縮後の圧縮ガスの温度を低く抑えるためのいわゆる給気冷却器を不要化することができ、また、たとえ不要化まではできない場合でも、少なくとも給気冷却器の小型化が可能となる。

また、この効果を得る上では、前記膨張部が少なくとも部分的に前記圧縮部を囲繞するように構成するとよい。こうすることで、簡明な構成で、壁面熱交換を容易に実現することができ、なぜならば、膨張ガスと圧縮ガスとの間にそれらガスの熱が通過可能な壁体を設けるだけでよいからである。

本発明に係る給気システムの別の構成例では、前記膨張部は少なくとも部分的に前記圧縮部に軸方向に隣接して設けられている。前記膨張部と前記圧縮部とが隣接する部分は、実質的に、前記圧縮羽根車と前記膨張羽根車とを背中合わせにしてそれら２つの羽根車を軸方向に隣接させて構成したものである前記システム羽根車の領域（近傍）に位置しているようにすることが好ましい。以上のように構成することで、前記圧縮羽根車をその圧縮流路（前記圧縮羽根車に連なる圧縮流路）の中へ深く入り込んだ位置に配置しつつ、前記膨張羽根車へその膨張流路（前記膨張羽根車に連なる膨張流路）から膨張ガスを供給することが可能となる。

前記電動機は、前記回転軸を支持するように構成されている電動機ハウジングに囲繞されることが好ましい。換言するならば、前記回転軸を回転可能に支持する支持構造を、前記電動機ハウジングを用いて構成するとよい。これにより、簡明な構成で、前記回転軸を確実に支持することができ、なぜならば、こうすることで、前記回転軸の支持機構の構造がいかなるものであっても、当該支持機構を前記システム羽根車から離れた位置に、即ち、膨張ガスから離れた位置に設けることができ、もって、当該支持機構を膨張ガスから少なくとも最大限に防護できるからである。

本発明に係る給気システムの別の構成例では、前記電動機ハウジングは少なくとも部分的に前記ハウジングと一体化されている。特に、前記電動機ハウジングが前記膨張部の少なくとも一部分と一体化されているとよく、それによって、製造コストを低減すること、及び／又は、電動機を好適に空冷することが可能となる。

本発明に係る給気システムの別の構成例では、前記回転軸は組立型の回転軸である。換言するならば、前記回転軸は互いに結合される少なくとも２個の部品から形成される。互いに部品を結合するには、例えば、材料接合による結合、及び／又は、圧入による結合、及び／又は、係合ないし係止による結合などの手段を用いることができる。この構成の利点は、用いる電動機の構造に応じて、その電動機のステータとロータの何れか一方を、この回転軸の一部分の中に内蔵できることにある。

前記回転軸は、前記電動機のロータを内蔵していることが好ましく、特に前記ロータと一体回転するように前記ロータに結合されていることが好ましい。前記ロータと一体回転するように前記ロータに結合する手段は、必要に応じた適宜の結合手段とすればよい。前記回転軸を組立型の回転軸とすることによって、簡明な構成で、前記回転軸の内部空洞に前記ロータを確実に内蔵することが可能となる。

前記システム羽根車は２つの羽根車を一体化して単一部品としたものであることから、前記給気システムの出力（給気能力）の低下を防止する上で、若しくは少なくともその給気能力の低下幅を小さく抑える上で、前記圧縮部を前記膨張部に対して優先的に封止する必要がある。そのため、前記圧縮部と前記膨張部とを区画しているハウジング隔壁に、ラビリンスシールの形態のシールが裝備されている。ラビリンスシールは、非接触形軸封シールとも呼ばれ、相対的に運動する２つの部品の間を封止して、その封止箇所の両側に存在する空間どうしを互いから封止するものである。

より詳しくは、前記ラビリンスシールは前記圧縮羽根車と前記ハウジング隔壁との間に設けられており、当該ラビリンスシールによって、前記圧縮羽根車と前記ハウジング隔壁との間に存在する間隙の流路長が伸長され、もって当該間隙における流動抵抗が実質的に増強される。かくして前記圧縮部と前記膨張部との間の流体的な封止がなされる。

前記回転軸はラジアル軸受で支持されるようにするとよく、そのラジアル軸受は滑り軸受又は転がり軸受又は空気軸受の形態のものとすることができる。また、異なる形態のラジアル軸受を組合せて用いることも可能である。即ち、例えば滑り軸受の形態のラジアル軸受と、例えば転がり軸受の形態のラジアル軸受とで、前記回転軸を支持するのもよい。或いはまた、２つのラジアル軸受の組合せを、空気軸受の形態のラジアル軸受と、転がり軸受の形態のラジアル軸受との組合せとしてもよい。様々な組合せが考えられる。

更に、前記回転軸にアキシャル軸受を装備するのもよく、そのアキシャル軸受は滑り軸受又は転がり軸受又は空気軸受の形態のものとすることができる。通常は、アキシャル軸受は１つ備えれば十分であり、それゆえ異なる形態のアキシャル軸受を組合せて用いる必要はない。ただし、例えば、互いに分離した２つの軸部分から成る回転軸を用いる場合などには、異なる形態のアキシャル軸受を組合せて用いることもあり得る。

この点について付言すると、転がり軸受の形態の軸受が用いられる場合には、アキシャル軸受を装備することは必須ではない。ただしそのような場合でも、異なる形態の軸受を組合せて用いるいわゆるハイブリッド化は、コストを抑える上で有利であり、具体的には例えば、前記システム羽根車に近い側（下流側）に装備する軸受を空気軸受とし、前記システム羽根車から遠い側に装備する軸受を転がり軸受とするのもよい。その上で、更なるシール手段を裝備することによって、前記圧縮羽根車と前記膨張羽根車とを一体化して単一部品とした前記システム羽根車を有する前記ハウジングの前記圧縮部の中へ潤滑剤が浸入してしまうという事態を防止することができ、またたとえ防止できない場合であっても、その浸入する潤滑剤の浸入量を少なくとも最大限に低減できる。

前記更なるシール手段は、前記回転軸の外周を囲繞するように裝備されており、前記ハウジングと前記電動機ハウジングとの間を、また特に、前記ハウジングと前記電動機との間を、封止している。前記更なるシール手段は、前記回転軸の円錐部上（外周面がテーパ形状の軸部分の当該外周面上）に、及び／又は、前記回転軸を囲繞する円錐状に形成されたスリーブ上（前記回転軸の外周に嵌合された外周面がテーパ形状のスリーブの当該外周面上）に設けられる。前記更なるシール手段は、ラビリンスシールから成るものとすることが好ましい。前記更なるシール手段の利点については以下の通りである。先ず、前記回転軸の回転が停止しているか又はその回転速度が非常に遅いときには、潤滑剤、水、潤滑油などの液体が、前記回転軸の前記軸部分の、又は前記スリープの、テーパ形状の外周面をつたって前記更なるシール手段の中へ浸入し得る。しかるに、前記回転軸の前記軸部分の、又は前記スリーブの、その外周面のテーパ形状の方向を、テーパの大径側が前記膨張部の方を向き、テーパの小径側が前記電動機ハウジングの方を向くようにしておけば、前記回転軸が回転を開始したときに又はその回転速度が上昇したときに、それまで前記更なるシール手段の中に浸入し滞留していた液体は、遠心力の作用を受けて前記膨張羽根車の方へ移動して前記更なるシール手段から排出される。尚、ここでテーパの大径側及び小径側とは、前記回転軸の外径寸法、及び／又は、前記スリーブの外径寸法をいうものである。

封止機能を更に強化するために、前記システム羽根車が撥液性を有するようにするとよい。換言するならば、前記システム羽根車が液体を撥ね飛ばすことのできる構成、及び／又は、水滴が衝突しても侵蝕を生じることのない構成を有するようにするとよい。これらは、前記システム羽根車の形状を適宜の形状とすることでも実現でき、また、前記システム羽根車に、また特にその全体のうちの前記膨張羽根車の部分に、コーティングを施す、及び／又は、表面硬化処理を施すことでも実現できる。

液体を撥ね飛ばせるようにするには、前記電動機に面する（電動機の方を向いた）前記システム羽根車のハブ端面を、撥液性を有する面とするのがよい。それには、例えば、当該ハブ端面に撥液性のコーティング層を形成するのもよい。ただし特に好適であるのは、当該ハブ端面の形状を、液体を撥ね飛ばすのに適した形状とすることである。例えば、当該ハブ端面の形状を前記電動機ハウジングへ向かって開いた陥凹湾曲面形状とするとよい。特に好適な１つの構成例では、当該ハブ端面の形状を、当該ハブ端面が突起部を有する形状、特に、当該ハブ端面の外周に沿って延在する突起部（突縁部）を有する形状にしている。これによって、遠心力の作用により、前記膨張羽根車の方へ移動させられた液体が前記膨張部の流出口へ導かれるようにすることができる。

水滴が前記システム羽根車に衝突したならば、前記システム羽根車にかなりの大きさの衝撃が加わり、従ってかなりの大きさの力が作用する。それゆえ、水滴の衝突による損傷を防止するために、前記システム羽根車に、水滴の衝突に耐え得るだけの耐摩耗性及び／又は硬度を有するコーティング層を形成するとよく、また、前記システム羽根車の全体又は一部に表面硬化処理を施すのもよい。それらによって前記システム羽根車が耐液性を有するものとなる。

この点について付言すると、例えば前記システム羽根車が、前記電動機ハウジングと前記膨張羽根車との間に前記圧縮羽根車が位置するように構成されたものである場合には、撥液性に関する以上の説明は、当然のことながら、前記圧縮羽根車についての説明となり得る。

本発明に係る給気システムの別の構成例では、前記膨張部の中の前記膨張羽根車の上流側に流路断面積可変機構が装備されている。当該流路断面積可変機構は、例えば、排気ターボチャージャーに装備されている公知のガイド機構と同様の機構などでもよく、より具体的には、いわゆるＶＧＳ機構、ＶＴＧ機構、または、軸方向移動型の摺動弁機構などでもよい。

本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、数々の好適な実施の形態についての以下の説明並びに添付図面を参照することで明らかとなる。本明細書のこれまでの説明の中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関する以下の説明の中で言及し、及び／または、図面中に示す様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示される通りの組合せで利用できるばかりでなく、それとは異なる組合せでも利用でき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能であり、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない。また、添付図面については以下に示す通りである。

従来技術に係る、燃料電池の給気システムとして用い得る電動機を備えた給気システムの縦断面図である。 第１実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。 第２実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。 図２に示した本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面の部分拡大図である。 第３実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面の部分拡大図である。 図５に示した本発明に係る給気システムの領域ＶＩの細部詳細図である。 第４実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面の部分拡大図である。 第５実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面の部分拡大図である。 第６実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。 第７実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。 第８実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。 第９実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システムの縦断面図である。

図１に示したのは、燃料電池の給気に用い得る従来技術に係る給気システム１である。この給気システム１は、圧縮羽根車３及び膨張羽根車４を回転可能に収容しているハウジング２を備えており、このハウジング２は圧縮部５と膨張部６とを含んでいる。圧縮部５は圧縮羽根車３を収容するように構成されており、膨張部６は膨張羽根車６を収容するように構成されている。圧縮部５と膨張部６との間に、電動機ハウジング７が設けられており、この電動機ハウジング７は、電動機８を収容するように構成されていると共に、圧縮羽根車３及び膨張羽根車４を回転可能に支持するように構成されている。電動機８は、包埋加工やコーティング加工によって被覆されることもあり、その場合の被覆は、被覆材料の焼付け、溶着、溶融充填、吹付けなどの加工処理によって行われる。これらの加工処理によって、冷却媒体に浸漬可能な堅固な被覆構造を形成することができる。

圧縮羽根車３は、圧縮羽根車の回転軸９を介して電動機８のロータ１０に連結されており、電動機８は、ロータ１０を囲繞するステータ１２を備えている。膨張羽根車４は、膨張羽根車の回転軸１１を介してロータ１０に連結されている。膨張羽根車４は燃料電池から排出される膨張ガスによって回転駆動されて回転運動を発生し、この回転運動がロータ１０及び圧縮羽根車３へ伝達される。そして、ロータ１０が、膨張羽根車４及び圧縮羽根車５を、回転駆動及び／又は回転補助するように構成されている。

図２に示したのは、第１実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システム１である。この本発明に係る給気システム１の特徴として、電動機８を冷却するために、電動機ハウジング７は、流れが当該電動機ハウジング７とハウジング２との中を順次通過し得るように構成されていることがある。

更に、この本発明に係る給気システム１の特徴として、コンパクトでコスト的に優れた構成とするために、圧縮羽根車３及び膨張羽根車４はそれらが一体化された単一部品のシステム羽根車１３として構成されていることがある。圧縮羽根車３は第１材料で製作されており、この第１材料は膨張羽根車４の製作材料である第２材料と同等の材料である。システム羽根車１３の製作材料として２種類の材料を用いることも可能であるが、その場合にも、複数の異なる材料成分から成る単一材料で製作することで、システム羽根車１３を低コストで製作することができる。

図２に示した第１実施形態では、膨張羽根車４は、この膨張羽根車４の中を通過して流れる膨張ガスを電動機ハウジング７の中へ送り込むようにハウジング２の中に配設されている。換言するならば、膨張羽根車４は、圧縮羽根車５と電動機ハウジング７との間に配設されている。そのため、膨張部６は、圧縮部５と電動機ハウジング７との間に位置している。

圧縮部５及び膨張部６は、圧縮部５の中を流れる圧縮ガスと膨張部６の中を流れる膨張ガスとが熱交換を行うように構成されている。この点に関して注意すべきことは、ここでいう熱交換とは、圧縮部５と膨張部６との間でガスの交換が行われるのではなく、圧縮部５と膨張部６との間を区画して閉塞している壁体を介してガスの熱交換が行われるのであり、即ち、壁面熱交換が行われるということである。

膨張部６は少なくとも部分的に圧縮部５を囲繞するように構成されており、また特に、圧縮部５の渦巻流路３７の領域を囲繞するように構成されている。このことは、第１実施形態の本発明に係る給気システム１の縦断面の部分拡大図である図４に詳細に示した通りである。また、ハウジング２の組立作業の手間を軽減するために、圧縮部５と、膨張部６のうちの圧縮部５の周囲を囲繞する部分である膨張部第１部分３８とは、それらが一体化された単一部品として製作されている。この構成により得られる利点は、圧縮ガス温度ＴＫが２００℃以上となった圧縮ガスが、膨張ガス温度ＴＥが約９０℃の膨張ガスを加熱することで、膨張羽根車４で発生する熱力学的変化による温度勾配（この温度勾配は給気システム１の給気能力に影響を及ぼす）を増強し得ること、またその一方で、より低温の膨張ガスがより高温の圧縮ガスを冷却するため、圧縮ガスを空冷するための空冷機構を不要化し得ることにある。膨張羽根車４の下流側では膨張ガス温度ＴＥが約２０℃にまで低下することから、その温度が低下した膨張ガスを電動機ハウジング７の冷却に利用することができ、その利用のために、冷却ジャケット３５は膨張部６に接続されており、その接続は、流れがそれら冷却ジャケット３５と膨張部６の中を順次通過し得るような接続である。この構成とすることで、電動機ハウジング７の水冷機構を完全に不要化でき、それが可能であるのは特に、微細水滴が気化する際に電動機ハウジング７の熱を奪うからである。冷却ジャケット３５の中を通過した膨張ガスは不図示のハウジング排気口から環境中へ排出される。尚、軸受３３及び３４は、空気軸受の形態の軸受である。

電動機ハウジング７に対向している膨張部第２部分３９と、電動機ハウジング７とは、それらを一体化した単一部品として製作するとよい。そうすることで、封止手段の数を減じてコストを抑えることができる。

図３に示したのは、第２実施形態の本発明に係る給気システム１であり、この第２実施形態でも電動機ハウジング７はハウジング２に接続されており、その接続は、流れがそれら電動機ハウジング７とハウジング２の中を順次通過し得るような接続である。ただし、この第２実施形態における実質的な相違点は、圧縮羽根車３及び圧縮部５が、膨張羽根車４と電動機ハウジング７との間に配置されており、従って、膨張部６と電動機ハウジング７との間に配置されていることである。第２実施形態において電動機８の冷却は、圧縮部５で圧縮される外気が、電動機ハウジング７の中を通過して圧縮羽根車３に吸入されることにより、冷却ジャケット３５を冷却する空気流となることで行われる。

システム羽根車１３を回転駆動する回転軸１４は、組立型の回転軸である。ここでいう組立型の回転軸１４は、特に、２つの軸部分から成る回転軸であって、ロータ１０を内蔵できるように構成したものである。回転軸１４は電動機ハウジング７の中で回転可能に支持されている。一方の軸部分である回転軸第１部分１５は、その両端部のうちのシステム羽根車１３の方を向いた端部１６が中空円筒形に形成されており、ロータ１０は、回転軸第１部分１５と一体回転するように回転軸第１部分１５に結合されている。他方の軸部分である回転軸第２部分１７は、システム羽根車１３と一体回転するようにシステム羽根車１３に結合されている。回転軸第２部分１７は更に、その両端部のうちの回転軸第１部分１５の方を向いた端部が回転軸第１部分１５の端部１６の中に嵌合されており、材料接合によってこの端部１６に一体的に結合されている。図示した組立型の回転軸１４の実施形態は、ロータ１０を回転軸１４に内蔵して回転軸１４と一体化するための可能な構成形態の一例に過ぎない。その他の可能な構成形態としては、例えば、回転軸第１部分１５の一方の端部を中空円筒形に形成し、圧入によって、及び／又は、係合ないし係止手段によって、回転軸第１部分１５と回転軸第２部分１７とを結合する構成形態などがある。

第１実施形態の本発明に係る給気システム１のハウジング２は、給気システム１の長手軸心１８の延在方向である軸方向に互いに隣接して設けられる圧縮部５と膨張部６とを有し、また、圧縮羽根車３の下流側に形成されている圧縮部５の圧縮流路２０と膨張羽根車４の上流側に形成されている膨張部６の膨張流路２１とが、圧縮部５と膨張部６とに共有されているハウジング隔壁１９によって流路的に区画されている。また、ハウジング隔壁１９は、ハウジング２の圧縮部５と膨張部６との間を密封するためのシール手段２２を介して、ハウジング２に組付けられている。

圧縮部５と膨張部６との間には、膨張部６を圧縮部５に対して実質的に封止するために、また逆に言えば圧縮部５を膨張部６に対して実質的に封止するために、ラビリンスシールの形態のシール２３が装備されている。このラビリンスシール２３は、圧縮羽根車３と、この圧縮羽根車３に対向するハウジング隔壁１９の壁面２４との間に設けることが好ましい。

電動機ハウジング７と膨張羽根車４との間には、電動機ハウジング７から膨張部６の中や圧縮部５の中への潤滑剤の浸入を防止するために、及び／又は、電動機ハウジング７の中への膨張ガスの浸入を防止するために、回転軸第２部分１７を囲繞するようにして設けられた、更なるシール手段２５が装備されており、この更なるシール手段２５はラビリンスシールの形態のシール手段とすることが好ましい。

電動機ハウジング７から膨張部６の中へ浸入する潤滑剤の浸入量を低減し、好ましくはその潤滑剤の浸入を完全に防止する機能を増強した実施形態が、図５及び図６に示した第７実施形態であり、図６は図５の領域ＶIを詳細に示した細部詳細図である。これらの図から明らかなように、更なるシール手段２５に面する（シール手段２５の方を向いた）システム羽根車１３のハブ端面２６は、更なるシール手段２５を受容するように陥凹した陥凹湾曲面形状に形成されている。より詳しくは、この陥凹湾曲面形状は、更なるシール手段２５を軸方向において部分的に覆うように突出した部分を有する形状とされている。換言するならば、ハブ端面２６は突起部２７を有しており、この突起部２７は更なるシール手段２５の外周面２８を部分的に囲繞するように形成されている。以上を換言するならば、システム羽根車１３は、液体を撥ね飛ばすことのできる撥液性を有する形状に形成されている。そのため、更なるシール手段２５づたいにシステム羽根車１３へ移動した潤滑剤は、システム羽根車１３の遠心力の作用によって径方向外方へ移動させられ、そして突起部２７によって膨張部６の流出口４０の方へと導かれる。同様にして、膨張部６の中に貯留していた液体状の水分も流出口４０の中へ送り込まれるため、電動機ハウジング７の中へ水分が浸入するおそれも低減されている。

潤滑剤の浸入量を低減し、ないしはその潤滑剤の浸入を完全に防止する機能を増強した別の２つの実施形態を、図７と図８とに示した。尚、当然のことながら、これら実施形態の構成は追加的に用いられるものであり、それら構成だけが他の部分と別個に用いられるというものではない。図７に示したのは、第４実施形態の本発明に係る給気システム１の縦断面の部分拡大図である。同図に示したように、更なるシール手段２５を備えた回転軸中間部分２９は円錐状（その外周面がテーパ形状）に形成されており、電動機ハウジング７に近い側の軸径である回転軸中間部分第１軸径Ｗ１は、膨張羽根車４の方を向いた側の軸径である回転軸中間部分第２軸径Ｗ２より小径である。従って、回転軸中間部分２９の外周面３１と、長手軸方向１８に対して直交する回転軸中間部分２９の肩端面３２とが成す角度φは９０°より小さい。換言するならば、回転軸中間部分２９の軸径は軸心方向１８に沿って電動機ハウジング７から膨張部６の方へ行くに従って拡大している。尚、回転軸中間部分２９の軸径の拡大の仕方は、連続的な拡大としてもよく、不連続的な拡大としてもよい。

図８に示したのは、第５実施形態の本発明に係る給気システム１の縦断面の部分拡大図である。この実施形態ではスリーブ３０が回転軸中間部分２９を囲繞するように（回転軸中間部分２９の外周に嵌合するように）構成されている。スリーブ３０は、円錐状（その外周面３６がテーパ形状）に形成された中空円筒体である。この構成の利点は、回転軸１４を低コストで製作し得ることにある。図８に示した縦断面から明らかなように、スリーブ３０の外周面３６は開き角βをもってシステム羽根車１３へ向かって開いており、この開き角βは０°より大きい。

回転軸１４及び／又はスリーブ３０の外周面をテーパ形状とすること、及び／又は、そのテーパ形状に対応させてハブ端面２６を陥凹湾曲面形状及び／又は突起部２７を有する形状とすること、そして特にその突起部２７を設ける位置をハブ端面２６の最大外径の部分としていることで、更なるシール手段２５の中に貯留されていた液体を膨張部６の流出口４０の中へ移動させることが可能となっている。

第１実施形態の給気システム１では、回転軸１４は空気軸受で支持されている。即ち、回転軸第１部分１５と回転軸第２部分１７とは、各々が１つずつの空気軸受の形態のラジアル軸受３３により回転可能に支持されており、またそれに加えて、システム羽根車１３から遠い側の軸部分である回転軸第１部分１５は空気軸受の形態のアキシャル軸受３４により回転可能に支持されている。

それら軸受３３、３４は、空気軸受に替えて、滑り軸受の形態の軸受としてもよく、転がり軸受の形態の軸受としてもよく、或いは、異なる形態の軸受を組合せてもよい。用いる軸受３３、３４が転がり軸受である場合には、その転がり軸受３３、３４に浸入する水素の浸入量を抑えるために、当該転がり軸受３３、３４の、システム羽根車１３の方を向いた側面に、追加のシール手段を配置することを考慮すべきである。尚、冷却ジャケット３５は水冷機構を構成している。

ここで付言しておくと、シール手段２２、２５は、当然のことながら、リップシールの形態としてもよい。

不図示の別の実施形態では、電動機ハウジング７の、システム羽根車１３とは反対側の端面に、電子回路板を搭載するように構成されたインバータが裝備されており、その電子回路板は、いわゆる「パワー電子回路板」であり、その形状は、円板形、円弧形、三角形など様々な形状とすることができ、どのような形状であってもよい。

不図示の別の実施形態では、膨張羽根車４の上流側の膨張流路２１に流路断面積可変機構を装備しており、それによって膨張羽根車４の上流側の流路の断面積を可変にしている。流路断面積可変機構としては、例えば、軸方向移動型の摺動弁機構、公知の可変タービンジオメトリに採用されている回動式案内翼機構、等々が用いられる。

本発明に係る給気システム１の更に別の実施形態である、図９に示した第６実施形態、及び図１０に示した第７実施形態では、給気システム１の給気能力に適合させるために、システム羽根車１３にいわゆるトリミングを施せるようにしてあり、そのトリミングはハウジング隔壁１９を利用して行われる。即ち、好ましくは、膨張羽根車４の外径寸法を圧縮羽根車３の外径寸法より小さくしてあり、ハウジング隔壁内径寸法Ｄに変更（調節加工）を加えることで、膨張羽根車４の外周縁とハウジング隔壁１９の内周縁との間の間隙寸法Ａを調節できるようにしている。尚、この間隙寸法Ａの調節に関しては、ハウジング隔壁内径寸法Ｄの調節可能範囲の最小限界値及び最大限界値であるハウジング隔壁内径最小寸法Ｄ_ｍｉｎ及びハウジング隔壁内径最大寸法Ｄ_ｍａｘを予め適切に定めておく。以上によって、ハウジング隔壁内径寸法Ｄの変更を利用することにより、膨張羽根車４及び圧縮羽根車３という２つの羽根車に作用するスラスト力に調節を加えることができる。

不図示の別の実施形態では、回転軸を支持する転がり軸受機構に軸方向のプリテンションを作用させるように構成したプリテンション付与システムを装備しており、そのプリテンションで、軸方向の荷重に対抗するようにしている。

回転軸を支持する軸受として転がり軸受を用いる場合には、その転がり軸受に緩衝要素を付加するのもよく、例えば、弾性力を提供する金属製の部材や緩衝性を有して軸受の周囲に配置される合成樹脂製の部材などから成る緩衝要素を用いるのもよい。

図１１及び図１２に示したのは、第８実施形態及び第９実施形態の本発明に係る燃料電池の給気システム１である。図１１に示した第８実施形態の給気システム１は、図２に示した第１実施形態の給気システム１と殆ど同じ構成であるが、ただし、電動機ハウジング７にハウジング第１開口部４１とハウジング第２開口部４２とが形成されており、ハウジング第１開口部４１に流入した膨張ガスがロータ１０とステータ１２との間に画成されている空気流通間隙部４３の中を通過してハウジング第２開口部４２から流出することで、ステータ１２及びロータ１０が冷却されるようにしている。これによって電動機８を冷却する冷却機能が高められている。

図１２に示した第９実施形態の給気システム１は、図３に示した第２実施形態の本発明に係る給気システム１と殆ど同じ構成であるが、ただし、電動機８を冷却する冷却機能を高めるために、外気がハウジング第１開口部４１から空気流通間隙部４３の中を通過してハウジング第２開口部４２に流入し、ハウジング第２開口部４２から膨張部６へ供給されるようにしてある。この第１２実施形態において、ハウジング第１開口部４１は、電動機ハウジング７の両端部のうちのシステム羽根車１３とは反対側の端部の近傍に形成されている。

第８実施形態と第９実施形態のいずれにおいても、空気流通間隙部４３の中を通過する流れの方向を整えることが望ましく、そのため、第８実施形態ではハウジング第１開口部４１の形成位置の高さを、また第９実施形態ではハウジング第２開口部４２の形成位置の高さを、いずれも空気流通間隙部４３の高さに揃えてあり、換言するならば、長手軸心１８からそれら開口部４１、４２までの径方向距離と、長手軸心１８から空気流通間隙部４３までの径方向距離とが等しくなるような位置に、それら開口部４１、４２が形成されている。

不図示の別の実施形態では、圧縮部５をガイドジオメトリを可変としている。ガイドジオメトリを可変とするには圧縮部５を、圧縮羽根車３の上流側に可変ガイドベーン機構を設けた構成とする、及び／又は、圧縮羽根車３の下流側に可変ノズルベーン機構を設けた構成とすればよい。尚、圧縮部５にガイドベーン機構とノズルベーン機構との両方を設ける場合には、それら２つのベーン機構のうちの一方を固定ベーン機構としても構わない。

揺動軸を中心として揺動可能（回動可能）な複数枚のガイドベーンを圧縮羽根車３の上流側に設けて構成した可変ガイドベーン機構を用いることで、圧縮羽根車３に流入する空気流の流入角（入口角度）を異なる回転速度に対して最適化する（圧縮羽根車３の回転速度に応じた最適角度に調節する）ことができる。また、光学絞り機構と同様に構成した可変オリフィスを備えた可変ガイドベーン機構を用いるならば、空気流の流量を容易に最適流量に調節することができる。また、回動可能な複数枚のガイドベーンを備えた可変ノズルベーン機構を用いるならば、圧縮部５から流出する空気流の流出角（出口角度）を容易に調節（空気流の流量を容易に最適流量に調節）することができる。

電動機８としては、様々な構造の電動機を用いることができる。ステータ１２の巻線も様々な巻き方のコイルとすることができる。例えば、そのコイルは、スロット付きコイルとすることもでき、スロットレスコイルとすることもできる。そのコイルの巻き方も、集中巻きと分布巻きとのいずれとすることもできる。

不図示の別の実施形態では、圧縮羽根車３と膨張羽根車４との何れか一方の羽根車に、回転軸１４を嵌合する軸孔を形成するようにしている。この軸孔は、回転軸１４を螺合して結合することのできる雌ネジ孔としてもよく、或いは、回転軸１４を圧入して結合することのできる圧入孔としてもよい。

不図示の別の実施形態では、速度、加速度、温度、圧力、等々の量のうちの何れか又は幾つかを測定するための測定手段を備えるようにしている。測定手段として用いるセンサなどは、羽根車３、４とは反対の電動機８の側に配設することが好ましい。

不図示の別の実施形態では、第２の圧縮羽根車を備えるようにしている。その第２の圧縮羽根車は、羽根車３、４とは反対の電動機８の側に配設するようにしている。

１ 給気システム
２ ハウジング
３ 圧縮羽根車
４ 膨張羽根車
５ 圧縮部
６ 膨張部
７ 電動機ハウジング
８ 電動機
９ 圧縮羽根車の回転軸
１０ ロータ
１１ 膨張羽根車の回転軸
１２ ステータ
１３ システム羽根車
１４ 回転軸
１５ 回転軸第１部分
１６ 端部
１７ 回転軸第２部分
１８ 長手軸心
１９ ハウジング隔壁
２０ 圧縮流路
２１ 膨張流路
２２ シール手段
２３ シール
２４ 壁面
２５ 更なるシール手段
２６ ハブ端面
２７ 突縁部
２８ 外周面
２９ 回転軸中間部分
３０ スリーブ
３１ 回転軸中間部分外周面
３２ 回転軸中間部分肩端面
３３ ラジアル軸受
３４ アキシャル軸受
３５ 冷却ジャケット
３６ スリーブ外周面
３７ 渦巻流路
３８ 膨張部第１部分
３９ 膨張部第２部分
４０ 流出口
４１ ハウジング第１開口部
４２ ハウジング第２開口部
４３ 空気流通間隙部
Ａ 間隙寸法
Ｄ ハウジング隔壁内径寸法
Ｄ_ｍｉｎ ハウジング隔壁内径最小寸法
Ｄ_ｍａｘ ハウジング隔壁内径最大寸法
ＴＥ 膨張ガス温度
ＴＫ 圧縮ガス温度
Ｗ１ 回転軸中間部分第１軸径
Ｗ２ 回転軸中間部分第２軸径
φ 角度
β 開き角

本発明は燃料電池の給気システムに関する。本発明に係る給気システムは、回転可能な圧縮羽根車と回転可能な膨張羽根車とを収容するハウジングを備え、前記ハウジングは圧縮部と膨張部とを含み、前記圧縮部は前記圧縮羽根車を収容するように構成されており、前記膨張部は前記膨張羽根車を収容するように構成されており、前記膨張羽根車（４）は、該膨張羽根車（４）の中を通過して流れる膨張ガスを前記電動機ハウジング（７）の中へ送り込むように前記ハウジング（２）の中に配設されており、前記圧縮羽根車（３）と前記電動機ハウジング（７）との間に配設されている。また、回転軸を回転駆動する電動機を備えており、前記回転軸は少なくとも前記膨張羽根車と一体回転するように前記膨張羽根車に連結されており、前記電動機は電動機ハウジングに収容されている。本発明によれば、前記電動機を冷却するために、前記電動機ハウジングは流れが当該電動機ハウジングと前記ハウジングの中を順次通過し得るように構成されている。これによって、運転中に発熱する電動機を空冷方式で好適に冷却し得る、簡明な方式の、そしてコスト的に優れた冷却が可能となっている。空冷方式は特に有利な冷却方式であり、なぜならば、水冷方式では電動機及びハウジングへの冷却水の浸入を防止する封止構造が必要となり、そのため作業工程が増加して高コストとなるからである。

本発明によれば、前記膨張羽根車は、当該膨張羽根車の中を通過して流れる膨張ガスを前記電動機ハウジングの中へ送り込むように前記ハウジングの中に配設されている。この構成形態では、前記膨張羽根車は、前記圧縮羽根車と前記電動機ハウジングとの間に配設されていることが好ましく、それによって、前記膨張羽根車から流出する膨張ガスを前記電動機ハウジングの中へ直接的に送り込むことが可能となる。

Claims (21)

1. 回転可能な圧縮羽根車（３）と回転可能な膨張羽根車（４）とを収容し、圧縮部（５）と膨張部（６）とを含むハウジング（２）と、回転軸（１４）を回転駆動する電動機（８）とを備え、前記圧縮部（５）が前記圧縮羽根車（３）を収容するように構成されており、前記膨張部（６）が前記膨張羽根車（４）を収容するように構成されており、前記回転軸（１４）が少なくとも前記膨張羽根車（４）と一体回転するように前記膨張羽根車（４）に連結されており、前記電動機（８）が電動機ハウジング(７)に収容されている、燃料電池の給気システム（１）であって、
   前記電動機ハウジング（７）は、前記電動機（８）を冷却するために、流れが該電動機ハウジングと前記ハウジング（２）との中を順次通過し得るように構成されている
   ことを特徴とする給気システム（１）。
2. 前記圧縮羽根車（３）は、前記電動機ハウジング（７）の中を通過させて空気を吸入するように前記ハウジング（２）の中に配設されている
   ことを特徴とする請求項１記載の給気システム（１）。
3. 前記膨張羽根車（４）は、当該膨張羽根車（４）の中を通過して流れる膨張ガスを前記電動機ハウジング（７）の中へ送り込むように前記ハウジング（２）の中に配設されている
   ことを特徴とする請求項１記載の給気システム（１）。
4. 前記圧縮羽根車（３）及び前記膨張羽根車（４）は、それらが一体化された単一部品であり前記回転軸（１４）を有するシステム羽根車（１３）として構成されている
   ことを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項記載の給気システム（１）。
5. 前記圧縮部（５）及び前記膨張部（６）は、前記圧縮部（５）を流れる圧縮ガスと前記膨張部（６）を流れる膨張ガスとが壁面熱交換を行うように構成されている
   ことを特徴とする請求項１～請求項４の何れか１項記載の給気システム（１）。
6. 前記膨張部（６）は、少なくとも部分的に前記圧縮部（５）を囲繞するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１～請求項５の何れか１項記載の給気システム（１）。
7. 前記膨張部（６）は、少なくとも部分的に前記圧縮部（５）に軸方向に隣接して設けられている
   ことを特徴とする請求項１～請求項６の何れか１項記載の給気システム（１）。
8. 前記電動機ハウジング（７）は、前記回転軸（１４）を支持するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１～請求項７の何れか１項記載の給気システム（１）。
9. 前記電動機ハウジング（７）は、少なくとも部分的に前記ハウジング（２）と一体化されている
   ことを特徴とする請求項１～請求項８の何れか１項記載の給気システム（１）。
10. 前記回転軸（１４）は、組立型の回転軸である
    ことを特徴とする請求項１～請求項９の何れか１項記載の給気システム（１）。
11. 前記回転軸（１４）は、前記電動機（８）のロータ（１０）を内蔵している
    ことを特徴とする請求項１０記載の給気システム（１）。
12. 前記圧縮部（５）と前記膨張部（６）とを区画するハウジング隔壁（１９）が、ラビリンスシールの形態のシール（２３）を有する
    ことを特徴とする請求項１～請求項１１の何れか１項記載の給気システム（１）。
13. 前記シール（２３）は、前記圧縮羽根車（３）と前記ハウジング隔壁（１９）との間に設けられている
    ことを特徴とする請求項１２記載の給気システム（１）。
14. 前記回転軸（１４）は、滑り軸受、転がり軸受、又は空気軸受であるラジアル軸受（３３）を有する
    ことを特徴とする請求項１～請求項１３の何れか１項記載の給気システム（１）。
15. 前記回転軸（１４）は、滑り軸受、転がり軸受、又は空気軸受であるアキシャル軸受（３４）を有する
    ことを特徴とする請求項１～請求項１４の何れか１項記載の給気システム（１）。
16. 前記回転軸（１４）の円錐状部分、及び／又は、前記回転軸（１４）を囲繞する円錐状のスリーブ（３０）上に、更なるシール手段（２５）が設けられている
    ことを特徴とする請求項１～請求項１５の何れか１項記載の給気システム（１）。
17. 前記更なるシール手段（２５）は、ラビリンスシールから成る
    ことを特徴とする請求項１６記載の給気システム（１）。
18. 前記システム羽根車（１３）は、撥液性及び／又は耐液性を有する
    ことを特徴とする請求項１～請求項１７の何れか１項記載の給気システム（１）。
19. 前記電動機（８）に面する前記システム羽根車（１３）のハブ端面（２６）は、撥液性及び／又は耐液性を有する
    ことを特徴とする請求項１８記載の給気システム（１）。
20. 前記ハブ端面（２６）は、突起部（２７）を有する
    ことを特徴とする請求項１９記載の給気システム（１）。
21. 前記膨張部（６）の中の前記膨張羽根車（４）の上流側に流路断面積可変機構が設けられている
    ことを特徴とする請求項１～請求項２０の何れか１項記載の給気システム（１）。

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