(57)【要約】【課題】凍結によるインペラの回転不能を抑制するタービンを提供することを課題とする。【解決手段】インペラと、前記インペラが配置されたガス通路を有したハウジングと、少なくとも一部が前記インペラの径方向外側に位置して前記インペラと対向するように前記ガス通路内に設けられ、前記ガス通路を通過するガス中の水分を捕捉できる多孔体と、を備えたタービン。【選択図】図２
2019019688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、
前記インペラが配置されたガス通路を有したハウジングと、
少なくとも一部が前記インペラの径方向外側に位置して前記インペラと対向するように前記ガス通路内に設けられ、前記ガス通路を通過するガス中の水分を捕捉できる多孔体と、を備えたタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、タービンに供給されるカソードオフガスから水分を分離する水蒸気分離器を備えたシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８２７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水蒸気分離器によるカソードオフガスからの水分の分離が不十分であった場合には、タービン内に侵入した水がシステム停止後に凍結して、これによりインペラが回転不能となる可能性がある。
【０００５】
本発明は、凍結によるインペラの回転不能を抑制するタービン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】
【０００６】
上記目的は、インペラと、前記インペラが配置されたガス通路を有したハウジングと、少なくとも一部が前記インペラの径方向外側に位置して前記インペラと対向するように前記ガス通路内に設けられ、前記ガス通路を通過するガス中の水分を捕捉できる多孔体と、を備えたタービンによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、凍結によるインペラの回転不能を抑制するタービンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、タービンの説明図である
【図３】図３Ａは、第１変形例であるタービンの説明図であり、図３Ｂは、第２変形例であるタービンの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、制御装置１０、燃料電池２０、空気供給系３０、及び冷却系４０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、燃料電池２０に水素を供給する不図示の水素ガス供給系や燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系を含む。
【００１０】
空気供給系３０は、燃料電池２０に空気を供給するものであり、以下のように構成される。外気から取り込んだ酸素を含む空気（カソードガス）は、供給経路３１を介してコンプレッサ３３により圧縮され、インタークーラ３６により冷却されて、燃料電池２０に供給される。排出経路３２は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気放出する。背圧弁３８は、燃料電池２０のカソード側の背圧を調整する。タービン３４は、排出経路３２上に配置され、カソードオフガスが有するエネルギーによって作動する。また、タービン３４は、後述する共通の回転軸によってコンプレッサ３３と連結されている。モータ３５は、この回転軸を駆動する。従ってコンプレッサ３３は、モータ３５とタービン３４とによって回転する。加湿器３７は、排出経路３２を通過するカソードオフガス中の水分を利用して供給経路３１を通過するカソードガスを加湿する。尚、供給経路３１上には、上流側から順にコンプレッサ３３、インタークーラ３６、及び加湿器３７が配置されている。排出経路３２には、上流側から順に加湿器３７、背圧弁３８、及びタービン３４が配置されている。
【００１１】
冷却系４０は、冷媒を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池２０を冷却するものであり、以下のように構成される。冷媒は循環ポンプ４５により循環経路４１を流通し、ラジエータ４６で熱交換されて冷却されて、燃料電池２０に供給される。バイパス経路４２は、循環経路４１から分岐してラジエータ４６をバイパスする。三方弁４７は、バイパス経路４２を流通する冷媒の流量を調整する。分配経路４３は、循環経路４１から分岐してインタークーラ３６に接続され再び循環経路４１に接続されており、インタークーラ３６を通過する空気が冷媒により冷却される。分配経路４４は、循環経路４１から分岐してタービン３４に接続されており、タービン３４が冷媒により冷却される。温度センサ４８は、燃料電池２０から排出された冷媒の温度を検出する。尚、分配経路４３は、燃料電池２０よりも上流側であって三方弁４７よりも下流側で循環経路４１から分岐して、燃料電池２０よりも下流側であって循環ポンプ４５よりも上流側で循環経路４１に合流している。分配経路４４は、分配経路４３と循環経路４１との分岐地点よりも上流側であって三方弁４７よりも下流側で循環経路４１から分岐し、分配経路４３と循環経路４１との合流地点よりも下流側であって循環ポンプ４５よりも上流側で循環経路４１に合流している。
【００１２】
図２は、タービン３４の説明図である。タービン３４は、ハウジング３４１、ガス通路３４３、インペラ３４５、多孔体３４７等を有している。ハウジング３４１には、ガス通路３４３が形成されており、インペラ３４５はガス通路３４３上に配置されている。インペラ３４５は、回転軸３５ａが接続されており、回転軸３５ａと共にモータ３５により回転される。インペラ３４５は、略截頭円錐状であり、インペラ３４５の中心軸線周りの外周に複数の羽根が設けられている。ハウジング３４１の壁部内に、分配経路４４の一部を構成する冷媒流路４４１が形成されている。
【００１３】
ガス通路３４３は、導入部３４３ａ、スクロール部３４３ｂ、絞り部３４３ｃ、収納部３４３ｄ、及び排出部３４３ｅを含み、カソードオフガスはこの順に流通する。導入部３４３ａは、インペラ３４５の中心軸線に対して略直交する方向に延びている。スクロール部３４３ｂは、インペラ３４５の中心軸線周りに渦巻状に形成されている。絞り部３４３ｃは、スクロール部３４３ｂよりも流路断面積が絞られており、インペラ３４５の基端部の外周と対向している。収納部３４３ｄ内の空間形状は、インペラ３４５の形状に対応するように略截頭円錐状である。排出部３４３ｅは、インペラ３４５からインペラ３４５の中心軸線の方向に離れるように延びている。
【００１４】
多孔体３４７は、絞り部３４３ｃから収納部３４３ｄの下流側にまで連続的に形成されており、少なくとも一部がインペラ３４５の径方向外側に位置して対向しており、実際にはインペラ３４５の周囲全体を包囲している。また、多孔体３４７は、モータ３５側の内壁面ではなく、モータ３５とは反対側の内壁面に設けられている。ここで、多孔体３４７は親水性がある多孔質状であり、ガス通路３４３を通過するカソードオフガス中の水分を捕捉できる。具体的には多孔体３４７は、例えば金属発泡焼結体や、網状のエキスパンドメタル等である。尚、冷媒流路４４１は、ガス通路３４３を介してモータ３５とは反対側のハウジング３４１の壁部内に設けられており、多孔体３４７は冷媒流路４４１の近傍に設けられている。
【００１５】
上述したように、多孔体３４７はカソードオフガス中の水分をその内部で捕捉できる。このため、インペラ３４５やその周辺に水が付着することを抑制できる。このため、例えばシステム１の停止期間中にこのような水が凍結したとしても、この水は多孔体３４７内で凍結するため、凍結に起因してインペラ３４５が回転不能になることが抑制される。また、多孔体３４７はタービン３４内に設けられているため、システム１全体の構成を複雑化及び大型化することなく、凍結に起因してインペラ３４５が回転不能になることが抑制される。また、回転軸３５ａを介してインペラ３４５と連結されているコンプレッサ３３が回転不能になることも抑制される。尚、多孔体３４７は親水性を有しており、その内部に水を捕捉可能であれば、多孔体３４７の水に対する接触角や、孔の径や数は適宜変更してもよい。
【００１６】
また、多孔体３４７はインペラ３４５の径方向外側に設けられているため、カソードオフガスの膨張に起因して発生した水も効率的に捕捉できる。
【００１７】
また、多孔体３４７は、冷媒流路４４１近傍に設けられているため、冷媒流路４４１を通過する冷媒により、多孔体３４７やその周辺が冷却される。このため、多孔体３４７やその周辺でカソードオフガス中の水分が凝縮水として発生することが促進される。これにより、多孔体３４７により効率的に水を捕捉できる。
【００１８】
多孔体３４７はインペラ３４５よりも上流側から下流側にかけて設けられている。このため、多孔体３４７で捕捉された水は、ガス通路３４３内を通過するカソードオフガスの気流により、インペラ３４５に触れずにインペラ３４５よりも下流側へと排出されることが促進される。これにより、インペラ３４５やその周辺に水が付着することを抑制できる。
【００１９】
次に、タービンの複数の変形例について説明する。尚、同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図３Ａは、第１変形例であるタービン３４ａの説明図である。図３Ａに示すように、多孔体３４７ａは、スクロール部３４３ｂから収納部３４３ｄの下流側にまで形成されている。また、多孔体３４７ａよりも上流側の導入部３４３ａの内壁面から内側に僅かに突出した突起部３４８が、周方向に所定の範囲だけ設けられている。突起部３４８により、導入部３４３ａの内壁面近傍を通過するカソードオフガスの流速を僅かに低下させて、カソードオフガス中の水分を捕捉することができる。これにより、インペラ３４５やその周辺に水が付着することが抑制されている。
【００２０】
また、突起部３４８は、多孔体３４７ａの上流側に向かってカソードオフガスの下流側に斜めに延びるようにネジ山状に設けられている。このため、突起部３４８で捕捉した水を多孔体３４７ａに案内することができる。
【００２１】
更に、ハウジング３４１ａに設けられた冷媒流路４４１ａは、ガス通路３４３を介して多孔体３４７ａと反対側のモータ３５側に設けられており、突起部３４８は、冷媒流路４４１ａ側と多孔体３４７ａの上流側の端部との間をつなぐように設けられている。このため、突起部３４８は、冷媒流路４４１ａ近傍で発生した凝縮水を多孔体３４７ａへ案内することができる。尚、突起部３４８の突出高さ等の大きさや形状は、水の捕捉の容易性とカソードオフガスの圧損とを比較考慮して適宜設定される。
【００２２】
冷媒流路４４１ａは、上述した冷媒流路４４１よりも上流側に設けられており、インペラ３４５から離れた位置に設けられている。このため、カソードオフガス中の水分をインペラ３４５から離れた位置で凝縮水として発生させることができ、水分が十分に低下したカソードオフガスがインペラ３４５を通過する。これにより、インペラ３４５周辺に水が付着することを抑制でき、ひいては凍結によりインペラ３４５が回転不能となることを抑制できる。
【００２３】
尚、突起部３４８自体も、水を捕捉可能な多孔体であってもよい。突起部３４８は、導入部３４３ａ内の周方向に必ずしも連続的に設けられていなくてもよい。突起部３４８は、ガス通路３４３内に設けられていれば、導入部３４３ａ内に設けることに限定されない。
【００２４】
図３Ｂは、第２変形例のタービン３４ｂの説明図である。多孔体３４７ｂは、絞り部３４３ｃから排出部３４３ｅの下流側にまで形成されている。ハウジング３４１の内部には、排出部３４３ｅの下流側で多孔体３４７ｂを加熱するヒータ３４９が設けられている。ヒータ３４９により、多孔体３４７ｂの下流側が加熱される。これにより多孔体３４７ｂの下流側で保持された水の気化を促進でき、多孔体３４７ｂ内の水を多孔体３４７ｂの外部へと容易に排出できる。ヒータ３４９の稼働のタイミングは、例えば、外気温が氷点下であり又は氷点下になることが予測される場合に、イグニッションオフが検知されてからイグニッションオンが検知されるまでの間にヒータ３４９を稼働させてもよい。
【００２５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００２６】
タービン３４を冷却する冷媒は、例えば燃料電池２０の電力制御系の機器を冷却する冷媒であってもよい。多孔体３４７〜３４７ｂは、必ずしもインペラ３４５の周囲全体を包囲している必要はない。冷媒流路４４１及び４４１ａは、設けられていなくてもよい。タービン３４をシステム１以外のシステムに採用してもよく、例えばエンジンシステムの過給機のタービンとして採用してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
３４  タービン
３４３  ガス通路
３４５  インペラ
３４７  多孔体
４４１  冷媒流路
【図１】
2019019688.tif 000003
【図２】
2019019688.tif 000004
【図３】
2019019688.tif 000005