(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカソード構成要素と複数のアノード構成要素とを含むセルスタックアセンブリと、
カソード構成要素に第１の反応物を供給するように設けられた出口を有する第１の反応物ブロアと、
アノード構成要素に第２の反応物を供給するように設けられた出口を有する第２の反応物ブロアと、を有し、第２の反応物ブロアは、該第２の反応物ブロアの出口を通って第２の反応物を移動させるファン部と、該ファン部を駆動するモータ部と、前記ファン部および前記モータ部と関連する軸受部と、を備え、前記モータ部は、第１の反応物の一部を受け入れて該モータ部を冷却するために、第１の反応物ブロアの出口と連結されたモータ冷却媒体入口を有する、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
第２の反応物は、前記ファン部内で第１の圧力にあり、
前記軸受部内の圧力は、第１の圧力よりも低い第２の圧力にあり、
前記モータ部内の第１の反応物は、第２の圧力よりも高い第３の圧力にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第２の反応物の少なくとも一部が、前記ファン部から前記軸受部に移動し、
第１の反応物の少なくとも一部が、前記モータ部から前記軸受部に移動し、前記軸受部内の第１の反応物の少なくとも一部によって、前記軸受部内の第２の反応物の濃度が希薄化されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記モータ部に供給される第１の反応物の量または第３の圧力の少なくとも一方が、前記軸受部内の第２の反応物の濃度の選択された量の希薄化を達成するために選択的に調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記軸受部は、前記ファン部と前記モータ部との間に軸受ハウジングを備え、
燃料電池システムは、
前記軸受部と前記ファン部との間の境界面に、第２の反応物が前記ファン部から前記軸受ハウジングに移動するのを防ぐように設けられた第１のシールと、
前記軸受部と前記モータ部との境界面に、第１の反応物が前記モータ部から前記軸受ハウジングに移動するのを防ぐように設けられた第２のシールと、を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記軸受ハウジングは、該軸受ハウジング内の第２の反応物が該軸受ハウジングから出ることを可能にするように設けられた出口を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
軸受潤滑剤供給源と、
前記供給源から前記軸受部に潤滑剤を導く潤滑剤ポンプと、
潤滑剤と関連する第２の反応物を排出するベントと、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記潤滑剤ポンプと前記軸受部との間の供給導管と、
前記軸受部と前記軸受潤滑剤供給源との間に、前記軸受部から前記供給源まで軸受潤滑剤を戻すように設けられた戻り導管と、を有し、前記軸受部内の第２の反応物は、前記軸受部と前記供給源との間を移動する軸受潤滑剤によって、前記戻り導管を通して前記軸受部外に運ばれ、
前記ベントは、前記潤滑剤供給源から第２の反応物が排出されるように設けられていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記潤滑剤供給源はタンクを備え、
前記ベントは、前記タンクに連結された導管と、前記タンクからの第２の反応物の一部と前記タンクからの潤滑剤の一部とを含む、冷却器に流入する流体流れから潤滑剤を分離するように設けられた冷却器と、分離された第２の反応物が前記冷却器から排出可能となるように設けられたベント口と、を備え、
前記冷却器は、該冷却器内の液体潤滑剤が前記タンクに流れるように該タンクに連結されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記軸受部は、非アーク材料で形成された軸受構成要素を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記非アーク材料は、真鍮、アルミニウムおよびポリアミドの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記ファン部は、複数のタービンブレードを備え、
前記モータ部は、電気モータを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池システムは、高温領域を有し、
前記ファン部は、前記高温領域に位置し、
前記モータ部は、低温領域に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記アノード構成要素から排出された第２の反応物の少なくとも一部を前記アノード構成要素に戻るよう運ぶように設けられた再循環回路を有し、第２の反応物ブロアは、前記再循環回路内に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池システム内でブロアを動作させる方法であって、前記ブロアは、ファン部と、該ファン部を駆動するモータ部と、前記モータ部および前記ファン部と関連する軸受部と、を含み、
セルスタックアセンブリのカソード構成要素に供給される第１の反応物を使用して前記モータ部を冷却し、
前記ファン部を使用してセルスタックアセンブリのアノード構成要素に第２の反応物を供給し、
前記軸受部内の第２の反応物の濃度を前記モータ部からの第１の反応物で薄めることを含むことを特徴とする燃料電池システム内でブロアを動作させる方法。
【請求項１６】
前記ファン部内に第２の反応物の第１の圧力を形成し、
前記軸受部内に第１の圧力よりも低い第２の圧力を形成し、
前記モータ部内に第１の反応物の第３の圧力を形成することを含み、第３の圧力は、第２の圧力よりも大きいことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記軸受部から第２の反応物を排出することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記セルスタックアセンブリから排出された第２の反応物の少なくとも一部を該セルスタックアセンブリに戻るよう導くように、第２の反応物の少なくとも一部を前記ブロアを使用して再循環させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムのブロア構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省との契約番号ＤＥ−ＮＴ０００３８９４の下で米国政府の支援を得てなされたものである。米国政府は、本発明について特定の権利を有する。
【０００３】
燃料電池は発電に有用である。燃料電池の構成要素は、水素や酸素などの反応物の間の電気化学反応を促進する。典型的な燃料電池システムは、システム内で反応物を循環させるポンプやブロアを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）燃料電池は、セルスタックアセンブリのアノード構成要素に反応ガスを循環させるために高温のブロアを使用する。このようなブロアは、高速で動作して要求される性能を提供するために典型的に特注であり、熱損失を避けるために高い動作温度に耐えることができる。このようなブロアの必要条件によって、燃料電池システムに追加の経費がかかる傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な燃料電池システムは、複数のカソード構成要素および複数のアノード構成要素を有するセルスタックアセンブリを含む。第１の反応物ブロアが、カソード構成要素に第１の反応物を供給するように設けられた出口を有する。第２の反応物ブロアが、第２の反応物をアノード構成要素に供給するように設けられた出口を有する。第２の反応物ブロアは、出口を通して第２の反応物を移動させるファン部を含む。第２の反応物ブロアは、さらに、ファン部を駆動するモータ部と、ファン部およびモータ部と関連する軸受部と、を含む。モータ部は、第１の反応物の一部を受け入れて該モータ部を冷却するために第１の反応物ブロアの出口と連結されたモータ冷却媒体入口を有する。
【０００６】
例示的な実施例では、第２の反応物の少なくとも一部は、ファン部から軸受部に移動する。第１の反応物の少なくとも一部は、モータ部から軸受部に移動し、第１の反応物は、ここで軸受部内の第２の反応物の濃度を薄めることができる。
【０００７】
燃料電池システムにおいてブロアを動作させる例示的な方法は、ブロアのモータ部の冷却に第１の反応物を使用することを含む。ブロアのファン部は、セルスタックアセンブリの部分に第２の反応物を導くために使用される。ブロアの軸受内の第２の反応物の濃度は、モータ部からの第１の反応物の一部によって薄められる。
【０００８】
開示された例示的な実施例の種々の形態は、以下の詳細な説明によって当業者に明らかとなる。詳細な説明に付随する図面は、以下に簡単に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例に従って設計された燃料電池システムの選択された部分を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例に従って設計されたブロア装置の選択された部分を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例に従って設計された他のブロア装置の選択された部分を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池システム２０を概略的に示している。セルスタックアセンブリ２２は、発電のための電気化学反応を促進する周知の方法で使用される複数のアノード構成要素２４と複数のカソード構成要素２６とを含む。図示の例では、燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池システムである。
【００１１】
第１のブロア３０が、酸素などの第１の反応物を第１の反応物供給源３２からセルスタックアセンブリ２２のカソード構成要素２６に供給するように設けられている。第１のブロア３０は、第１の反応物を１つまたは複数の導管３５を通してカソード構成要素２６に導くブロア出口３４を含む。第１の反応物を含むカソード排気は、触媒燃焼装置３６で燃焼されてベント４０を通して排出される。
【００１２】
第２のブロア５０が第２の反応物をアノード構成要素２４に導くように設けられている。図示の例は、水素などの第２の反応物の供給源５２を含む。第２のブロア５０は、燃料電池システムに典型的に設けられるブロア装置とは異なる。例示的な第２のブロア５０は、第２の反応物を受け入れる入口５６と、第２の反応物をアノード構成要素２４に導く出口５８と、を有するファン部５４を含む。一例では、ファン部５４は、複数のタービンブレードを備える。
【００１３】
一例では、ファン部５４は、自動車のターボ過給機のように構成されたタービンブレードを備える。タービンファンブレードをファン部５４に設けるとともに、所望の回転方向を達成するためにモータ部６０と関連づけることにより、タービンファンブレードによって出口５８を通して第２の反応物を高圧で導くことができる。
【００１４】
第２のブロア５０は、ファン部５４を駆動するモータ部６０を含む。軸受部６２が、モータ部６０およびファン部５４と関連づけられている。この例では、軸受部６２は、モータ部６０とファン部５４との間に設けられる。
【００１５】
図１の例は、モータ部６０を冷却する冷却装置を含む。この例では、ブロア出口３４からの第１の反応物の一部が、モータの冷却媒体入口６４に供給される。第１の反応物は、モータ部６０の構成要素を冷却する。図示の例は、モータ部６０から第１の反応物冷却媒体を放出するベント６６を含む。
【００１６】
図１の例は、モータ部６０の冷却のために供給される第１の反応物の量を選択的に制御する質量流量制御弁６８を含む。質量流量制御弁６８は、モータ部６０に供給される冷却媒体の量を制御するように選択的に動作する。図示の実施例のこの形態により、モータ部６０内の第１の反応物の圧力を選択的に制御することが可能となる。
【００１７】
軸受潤滑剤供給源７０およびポンプ７２が、軸受部６２に軸受潤滑剤を供給する。一例では、軸受潤滑剤は油である。この例では、ポンプ７２によって供給される軸受潤滑剤は、軸受ハウジング７７に形成された潤滑剤入口７６で軸受部に入る前に潤滑剤冷却器７４を通過する。出口７８により、潤滑剤が軸受ハウジング７７を出て軸受潤滑剤供給源７０に戻ることが可能となっている。一例では、出口７８は、潤滑剤が重力送りによって供給源７０に戻るように軸受ハウジング７７に設けられ、軸受ハウジング７７内の軸受キャビティのフラッディングが防止される。いくつかの例では、供給源７０に戻る潤滑剤の流動抵抗を防止するために、入口７６は出口７８よりも小さい流れ寸法を有する。
【００１８】
図２に最もよく示されているように、第２のブロア５０は、軸受部６２とファン部５４との間の境界面に第１のシール８０を含む。第１のシール８０は、ファン部５４内の第２の反応物が軸受部６２へと通過するのを妨げるように構成される。第２のシール８２が、モータ部６０と軸受部６２との間の境界面に設けられる。第２のシール８２は、モータ冷却媒体（例えば、第１の反応物）がモータ部６０から軸受部６２に通過するのを妨げるように構成される。
【００１９】
ファン部５４は、第２の反応物をアノード構成要素２４に供給して要求される性能を達成するために第１の高圧に維持される。軸受部６２内の圧力は、第２のより低い圧力である。いくつかの例では、軸受部６２内の圧力はほぼ大気圧である。モータ部６０内の第１の反応物は、軸受部６２内の第２の圧力よりも高い第３の圧力に維持される。第３の圧力は、ファン部５４内の第１の圧力よりも低くてもよい。
【００２０】
軸受部６２内の第２の圧力に比べて高い圧力がファン部５４に存在すると、ファン部５４内の第２の反応物の少なくとも一部が軸受部６２内に移動する。第２の反応物が可燃性ガス（すなわち、水素）を含む場合には、第２の反応物を軸受部６２内に留めることが望ましい。第２の反応物を軸受部６２内に留めるための図示の例の１つの特徴は、軸受部６２内の第２の反応物の濃度を薄めるためにモータ部６０からの第１の反応物の一部を使用することを含む。モータ部６０を充分な第３の圧力に維持して、第１の反応物の一部が軸受部６２へ移動するのを促すことにより、第２の反応物の濃度を薄める不燃性のガス（すなわち、空気）が軸受部６２内に導かれる。いくつかの例では、質量流量制御弁６８は、シール８２を通過して軸受部６２内の第２の反応物を薄める第１の反応物の量を制御するために選択的に制御される。一例では、所望の希薄化の程度を提供する第１の反応物の所望の量を決定するために、質量流量や第２の反応物の圧力に関する情報が使用される。
【００２１】
また、軸受部６２内の反応ガスは、ドレン口７８を通ってハウジング７７から流出する軸受潤滑剤の流れと共に運ばれる。図１の例では、軸受潤滑剤供給源７０は、反応ガスを処理するために反応ガスを潤滑剤供給源７０から触媒燃焼装置３６に導くベント９０を含む。
【００２２】
図２の例では、ベント９０は凝縮器９２に導かれており、凝縮器９２で反応性ガスが冷却されて凝縮する軸受潤滑剤から分離される。液体の軸受潤滑剤は、戻り管路９４を通って供給源７０に戻り、反応ガスはベント９６から放出される。
【００２３】
図示の例の１つの特徴は、軸受部６２内のシャフト９８などの移動する構成要素が非アーク材料から形成された軸受１００と相互作用することである。軸受が非アーク材料で形成されていれば、軸受部６２に供給される潤滑剤が不充分な場合でも、鋼製でありうるシャフト９８と軸受１００との間の高速での接触によって軸受ハウジング６２内で反応ガスが発火するおそれがない。例示的な軸受材料には、真鍮、アルミニウムおよび硬質耐熱ポリアミド材料が含まれる。
【００２４】
図１からわかるように、第２のブロア５０は、アノード構成要素２４から排出された第２の反応物の少なくとも一部をアノード構成要素２４に戻るように再循環させる再循環回路１１０内にある。第２のブロア５０は、第２の反応物を供給源５２からアノード構成要素２４に導くのにも有用である。
【００２５】
図１の例示的実施例の他の特徴は、ファン部５４が燃料電池システム２０の高温領域１１２に設けられていることである。一例では、領域１１２は、第１種第２分類の領域すなわち“ホットボックス”である。ファン部５４からの第２の反応物の漏れがあれば、高温領域１１２内においてパージ用空気で薄められる。この例では、軸受部６２およびモータ部６０は、領域１１２外に設けられる。一例では、モータ部６０は、発電装置キャビン換気装置の空気入口近くに位置する。この位置では、モータ部６０にわたる追加の空気流がモータの冷却を支援する。ファン部５４からモータ部６０を通って漏れうる第２の反応物は、空気で薄められる。
【００２６】
図３は、他の第２のブロアの形態を示す。この例では、第２のブロア５０は、モータ部６０の冷却媒体として第１の反応物を利用しない。代わりに、モータハウジング１２４内のモータシャフト１２２にファン１２０が支持されている。モータシャフト１２２が回転するに従って、ファン１２０は回転して、モータハウジング１２４の少なくとも一面に設けられた少なくとも１つの冷却孔１２６からモータハウジング１２４内に空気を引き込む。モータシャフト１２２は、ファン部５４を駆動するように回転するので、追加のエネルギ消費を必要とせず、また、図１，図２の例のように、第１の反応物をモータ部に導く導管や弁を必要とせずにモータ冷却機能が達成される。
【００２７】
上述の説明は、限定的でなく、例示的なものである。開示された例の変形および改良は、当業者には明らかであり、本発明の本質から必ずしも逸脱しない。本発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項の検討によってのみ判断できる。
【図１】
0005992127.tif 000002
【図２】
0005992127.tif 000003
【図３】
0005992127.tif 000004