(57)【要約】【課題】小型の燃料電池用流体供給装置の提供。【解決手段】流体の吸込口を有するアッパーカバー２ａと、二次元形状の翼７ａを有するローター３ａと、ディフューザー４ａと、ローター３ａを回転させるモーター５ａを有する燃料電池用流体供給装置１ａであって、ローター３ａの回転軸Ｒを含む縦断面におけるアッパーカバー２ａの吸込口近傍の下端部の断面形状が曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする燃料電池用流体供給装置１ａ。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の吸込口を有するアッパーカバーと、二次元形状の翼を有するローターと、ディフューザーと、ローターを回転させるモーターを有する燃料電池用流体供給装置であって、ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバーの吸込口近傍の下端部の断面形状が曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする燃料電池用流体供給装置。
【請求項２】
ディフューザーが二次元形状の翼を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用流体供給装置。
【請求項３】
アッパーカバーがその下端部に光を透過する材料からなる部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用流体供給装置。
【請求項４】
アッパーカバーが樹脂または金属からなることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の燃料電池用流体供給装置。
【請求項５】
ローターおよびディフューザーの一部がシリコンからなることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の燃料電池用流体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心式の流体供給装置に係り、特に燃料電池の燃料（メタノールに代表される液体燃料、メタンガスに代表される燃料ガス等）、酸化剤ガス（空気、酸素）、冷却水等の流体を供給するのに適した極小の流体供給装置に関する。なお、本発明において流体供給装置とはポンプおよびコンプレッサーを意味する。
【０００２】
【従来の技術】
ノート型パソコン、携帯電話機、コードレス電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯型ＣＤプレーヤー、携帯型ＭＤプレーヤー等の携帯用電子機器には、充電式のバッテリーが搭載されている。しかし、充電式バッテリーはエネルギー密度が低く長時間の使用に耐えられず、長時間使用する場合には、商用電源から電力を供給する必要があり、いわゆるＡＣアダプターが必須である。また、充電式バッテリーは、充電に長時間を要するので、商用電源がない場合には充電されるまで使用できない。また、充電式バッテリーは携帯用電子機器の重量および体積の多くを占めており、これらの機器の小型化、軽量化の大きな制約となっている。
【０００３】
近年、このような観点から燃料電池が注目されている。これは、燃料電池により発生する電流が直流であるため、従来の充電式バッテリーに必須のＡＣアダプターを要さず、また、燃料をカートリッジ式とすることができるので、必要なときに燃料を準備できるからである。
【０００４】
燃料電池には、これに用いる電解質の種類や燃料には様々な種類がある。例えば、燃料としてメタノールを使用した燃料電池は、下記の原理により発電する。
【０００５】
まず、メタノールは、下記の（１）式または（２）式に示す反応をして水素を生成させる。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋３Ｈ２      …（１）
ＣＨ３ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ２              …（２）
このようにして生成した水素を含む改質ガスは、燃料電池の燃料極において下記の（３）式の電気化学反応をし、酸化剤極において酸素は下記の（４）式に示す電気化学反応をして水を生成する。
【０００７】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−                    …（３）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →    Ｈ２Ｏ    …（４）
上記の反応において、電子（ｅ−）は、燃料極から電子機器内の回路を通過して酸化剤極に移動し、水素イオン（Ｈ＋）は、電解質中を移動する。また、燃料電池、更にはその周辺回路の発熱を抑制するために冷却板を設置したり、冷却水を循環させることが行われる。従って、燃料電池による発電には、燃料（上記の例では、メタノール）、水、空気（もしくは、酸素）、更には冷却水などの流体を供給する必要がある。
【０００８】
燃料電池は、自動車などのある程度の重量や体積が許容される用途において実用化されてきているが、この小型化、軽量化には様々な制約がある。その最たるものは上記の流体の供給に用いる流体供給装置である。燃料電池用供給装置としては遠心式のものが考えられるが、従来一般に知られる遠心式の流体供給装置では流体を流す効率を高くする観点から、いわゆる三次元形状の翼（ローターの回転軸方向に断面形状が変化する翼）を有するローターが用いられる。
【０００９】
図１８は、従来の遠心ポンプに用いられるローターを示す上面図である。図１８に示すように、従来の遠心ポンプに用いられるローター１６は、三次元形状に加工された翼１７を有する。このような三次元形状の翼を有するローターは、機械加工、金型成形等により製造される。しかし、機械加工による製造ではポンプの小型化には限界があり、しかも十分な加工精度が得られない。一方、金型成形は、大量生産を前提とすれば低コストで小型のポンプを製造できるが、設計変更に対する自由度が小さく、かえってコストの上昇を招くことも多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の加工技術としてマイクロ加工技術（ＭＥＭＳ加工）が知られているが、ＭＥＭＳ加工は、レジスト塗布、露光、現像、エッチングなどの工程が必須であるため、三次元形状の加工は困難である。従って、ＭＥＭＳ加工により加工できる形状は二次元形状となり、二次元形状のローターを用いる場合には、別途の手段により流体の流動性、および燃料電池用流体供給装置に要求される性能（流体の供給圧力が約１００ｋＰａ以上）を確保する必要がある。なお、上記の「二次元形状」とは、図１９（ａ）に示すように、加工面１８ａに垂直な方向にのみ加工が施され、この方向以外の方向への形状変化がない形状を意味し、「三次元形状」とは、図１９（ｂ）に示すように、加工面１８ｂに垂直な方向に断面形状が変化するような形状を意味する。
【００１１】
以上のように、ノートパソコンに用いる燃料電池用流体供給装置には小型化が要求されるので、これらに組み込まれるローターは、コインサイズ程度の極小のものにする必要がある。このような極小のローターの回転バランスを加工時に確保するのは困難であるため、流体供給装置の組立後に調整できる手段が必要となる。
【００１２】
本発明は、小型の燃料電池用流体供給装置であって、流体の供給圧力が約１００ｋＰａ以上であり、更に、ロータの回転バランスを組立後に調整できる燃料電池用流体供給装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、「流体の吸込口を有するアッパーカバーと、二次元形状の翼を有するローターと、ディフューザーと、ローターを回転させるモーターを有する燃料電池用流体供給装置であって、ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバーの吸込口近傍の下端部の断面形状が曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする燃料電池用流体供給装置」を要旨とする。
【００１４】
上記のディフューザーは、二次元形状の翼を有するのが望ましく、上記のアッパーカバーは、その下端部に光を透過する材料からなる部材を有するのが望ましい。アッパーカバーに用いる材料としては樹脂または金属が望ましく、ローターおよびディフューザーの一部に用いる材料としてはシリコンが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用流体供給装置を図を使って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の燃料電池用流体供給装置の縦断面を分解してなる図である。図１に示すように、本発明の燃料電池用流体供給装置１ａは、例えば、アッパーカバー２ａと、二次元形状の翼７ａを有するローター３ａと、ディフューザー４ａと、ローター３ａを回転させるモーター５ａと、ディフューザー４ａを支持するハウジング６ａを有する遠心ポンプである。
【００１７】
１．アッパーカバーについて
図２および図３は、図１中のＡ部を拡大した図である。図３に示すように、ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバー２ａの吸込口近傍の下端部の断面形状は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせからなる。ここで、「アッパーカバーの吸込口近傍の下端部」とは、吸込口の内径が最も小さくなる位置から外周方向への距離がｗであり、この位置からアッパーカバーの下端面までの距離がｈである範囲、即ち、図２中の斜線で示した範囲をいうものとする。最も典型的な距離ｗは、０．２〜５．０ｍｍであり、距離ｈは、０．２〜５．０ｍｍである。
【００１８】
ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバーの吸込口近傍の下端部の断面形状が曲線からなるとは、その断面形状が１または複数の曲率半径を有するＲ形状である場合のほか、図３（ａ）に示すように、吸込口の内径が最も小さくなる位置の水平線をｙ軸（右方向を正）とし、垂直線をｘ軸（下方向を正）とするときに、「ｙ＝ａ１（ｘ／ｈ）＋ａ２（ｘ／ｈ）２＋ａ３（ｘ／ｈ）３・・・」を満たす曲線である場合も含まれる。また、ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバーの吸込口近傍の下端部の断面形状が１本の直線からなるとは、例えば、図３（ｂ）に示されるような場合であり、複数本の直線からなるとは、図３（ｃ）に示すように、複数本（図３（ｃ）では３本）の直線で表される場合を意味する。また、図示しないが、これらの曲線と直線の組み合わせからなる断面形状であってもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池用流体供給装置では、二次元形状の翼を有するローターが用いられるが、二次元形状の翼を有するローターは、従来の三次元形状の翼を有するローターに比べ効率が悪い。そこで、本発明の燃料電池用流体供給装置では、ローターの回転軸を含む縦断面におけるアッパーカバーの吸込口近傍の下端部の断面形状を曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせとして、流体の流動性を確保することとした。
【００２０】
アッパーカバーの材料としては、エポキシ、ポリエステル、ＡＢＳなどの樹脂、またはアルミニウム、ステンレス鋼などの金属を用いることができる。樹脂を用いる場合には射出成形などでアッパーカバーを作製すればよい。また、金属を用いる場合には鋳造、射出成形、機械加工などでアッパーカバーを作製すればよい。
【００２１】
２．ローターについて
図４は、本発明の燃料電池用流体供給装置に係るロータの上面図である。図４に示すように、本発明の燃料電池に用いるロータ３ａは、その翼７ａが二次元形状からなる。
【００２２】
ローターの材料としてはシリコンを用いることができる。また、ローターは、通常のＭＥＭＳ加工、即ち、シリコン表面の酸化膜形成、レジスト塗布、露光、現像、エッチングおよびレジスト剥離の各工程による加工により作製すればよい。後述するように、ローターはディフューザーの一部とともに作製することもできる。なお、ローターは、燒結金属を用いてもよく、また金属材料から射出成形により製造してもよい。
【００２３】
３．ディフューザーについて
図５および６は、本発明の燃料電池用流体供給装置に係るディフューザーを示す上面図であり、図５は翼無しのディフューザーを示し、図６は翼有りのディフューザーを示す。本発明の燃料電池用流体供給装置に用いるディフューザーとしては、図５に示すように、中央部にローターを挿入するための貫通孔を有するディフューザー４ｃを用いることができる。特に、流体の流動性を確保する観点からは、図６に示すように、中央部にローターを挿入するための貫通孔を有し、この貫通孔の周囲に二次元形状の翼８ａを有するディフューザー４ｄを用いることが望ましい。
【００２４】
ディフューザーの材料としては、シリコンを用いることができる。また、ディフューザーは、通常のＭＥＭＳ加工、即ち、シリコン表面の酸化膜形成、レジスト塗布、露光、現像、エッチングおよびレジスト剥離の各工程による加工により作製すればよい。後述するように、ディフューザーの一部はローターとともに作製することもできる。また、金属を用いて鋳造または機械加工で作製してもよく、プラスチックやＦＲＰを用いて成型加工により作製してもよい。
【００２５】
二次元形状の翼を有するディフューザーとしては、図６に示すような翼８ａと排出口１０ａを構成する部材９ａとを別個に作製しても良いが、下記に示すような問題が発生する場合がある。
【００２６】
図７は、ディフューザーとローターの設置例を示す上面図であり、図８は、図７のＢ部を拡大した図である。図７に示すように、ディフューザー４ｄの中央部にはローター３ａが設置され、ロータ３ａの周囲に二次元形状の翼８ａが設けられている。そして、ロータ−３ａの回転により翼７ａで流れが生じた流体は、遠心力によりディフューザー４ｄの翼８ａの隙間を通って外周方向に流れ、排出口構成部材９ａの内壁に沿って流れ、排出口１０ａから排出される。このとき、図８に示すように、翼８ａと排出口構成部材９ａとの隙間で流体が衝突するため、定常的に音が発生する場合がある。
【００２７】
図９は、翼の一部と排出口を構成する部材とを一体に成形したディフューザーを示す図である。図９に示すように、翼８ａの一部と排出口構成部材９ａとを一体に成形したディフューザー４ｅであれば、流体の衝突が防止され、上述した定常的な音が発生することがない。従って、ディフューザーとしては、翼の一部と排出口構成部材とを一体に成形したものが最も望ましい。
【００２８】
４．ローターおよびディフューザーの製造方法について
図１０〜１２は、ローターおよびディフューザーの一部の製造方法を示す図であり、いずれの図においても（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図を示す。まず、図１０に示すように、シリコン基板１９ａを用意し、その表面に酸化膜を形成し、レジストを塗布し、露光、現像した後、エッチング、レジスト剥離の各工程を行う。図１１に示すように、エッチング後のシリコン基板１９ｂの上面には、ローターの翼となる部分の形状と、ディフューザーの翼となる部分の形状とが形成されているが、ローターとディフューザーとは分離されていない。このエッチング後のシリコン基板１９ｂの下面側からレーザー光を照射することによりシリコン基板１９ｂを切断して、図１２に示すような翼７ａを有するローター３ａと翼８ａを有するディフューザーの一部２０が得られる。
【００２９】
このようにしてローターおよびディフューザーを作製すれば、ローターの外周部とディフューザーの内周部とのクリアランスを精度よく確保することができる。このとき、ローターとともにディフューザーの全体を作製してもよいが、排出口を構成する部材（例えば図７の９ａ）に求められる加工精度は、ローターと近接する部分と比較して高くなく、また、ディフューザーの全体をＭＥＭＳ加工により作製することは製造コストの増大を招く。このため、図１０〜１２に示すように、ディフューザーの一部（ローターと近接する部分）をローターとともにＭＥＭＳ加工により作製し、排出口を構成する部材については、他の方法、例えば、金属材料を用いて鋳造もしくは機械加工により作製してもよく、またプラスチックやＦＲＰを用いて成型加工により作製してもよい。
【００３０】
なお、上記の製造方法は、翼ありディフューザー（例えば図６の４ｄ）の一部を製造する場合に限られることはなく、翼無しディフューザー（例えば図５の４ｃ）の一部をローターとともに作製する場合にも適用できる。
【００３１】
５．アッパーカバーの支持手段について
図１３は、本発明の燃料電池用流体供給装置の一例を示す断面図であり、図１４は、図１３中のＣ部を拡大した図である。図１３に示すように、本発明の燃料電池用流体供給装置１ａにおいては、例えば、翼７ａを有するローター３ａは、モーター５ａ上に搭載され、回転軸Ｒを中心にモーター５ａの動力により回転する。一方、アッパーカバー２ａはディフューザー４ａにより支持され、更に、ディフューザー４ａはハウジング６ａ上に搭載される。ハウジング６ａは燃料電池（図示しない）または燃料電池を搭載する電子機器（図示しない）に固定される。
【００３２】
ディフューザーとして翼なしディフューザーを用いる場合には、排出口構成部材９ａのみでアッパーカバーを支持することもできるが、例えば、図５に示すような翼なしのディフューザー４ｃを用い、排出口構成部材９ａおよび支持部材８でアッパーカバーを支持するのが望ましい。図６に示すような翼ありディフューザー４ｄを用いる場合には、排出口構成部材９ａまたは更に翼８ａの全部もしくは一部でアッパーカバーを支持すればよい。また、図６に示す翼ありディフューザー４ｄに図５に示すような支持部材８を設け、支持部材と排出口構成部材とによりアッパーカバーを支持してもよい。
【００３３】
ここで、ディフューザーでアッパーカバーを支持する際には、図１４に示すようにアッパーカバー２ａの下部とローター３ａの翼７ａの上部との間に一定の隙間を設けることが必要である。これは、ロータ３ａの翼７ａの上部がアッパーカバー２ａの下部と接触した状態（即ち、隙間ｔがない状態）では、ロータ３ａを燃料電池用流体供給装置１ａ内で円滑に回転させることができないからである。しかし、隙間ｔは、広すぎると流体を送る性能が低下するため、できる限り狭い方がよい。
【００３４】
６．アッパーカバーの他の構成について
図１５は、他のアッパーカバーを用いた燃料電池用流体供給装置を示す断面図であり、図１６は、このアッパーカバーを用いる場合の使用形態を示す断面図である。図１５に示すように、本発明の燃料電池用流体供給装置１ｃにおいては、下端部に光を透過する材料からなる部材１１ａ（以下、「透過部材１１ａ」とよぶ）を有するアッパーカバー２ｂを用いてもよい。
【００３５】
本発明の燃料電池用流体供給装置は非常に小型のものであるので、その構成部材であるローター３ａには高精度の回転バランスが要求される。一般に、ローターの回転軸まわりには重さのばらつきがあるため、ロータの回転バランスを組立後に調整できるように上記のアッパーカバー２ｂを用いるのが望ましい。
【００３６】
なお、このアッパーカバー２ｂにおいても、その吸込口近傍の下端部の断面形状を曲線または複数の直線の組み合わせとする必要があるのは前述の例と同様である。また、図１５では、中央部にアッパーカバー２ｂの吸込口より大きな貫通孔を設けた透過部材１１ａをアッパーカバー２ｂの下端部にはめ込むように設置した例を示しているが、透過部材１１ａの設ける貫通孔を吸込口とほぼ同じ内径とし、透過部材１１ａの貫通孔近傍の下端部の断面形状を曲線、１本の直線もしくは複数本の直線、またはこれらの組み合わせとしたものをアッパーカバーの下端部に取り付けたものでもよい。
【００３７】
このアッパーカバー２ｂを用いる場合には、例えば、図１６に示すように、モーター５ａにロータ３ａを搭載し、一方で、透過部材１１ａをディフューザー４ｅに搭載し、更にディフューザー４ｅをハウジング（図示しない）に搭載した状態でローター３ａを回転させる。このとき、透過部材１１ａの上方に設置した測定器１２で上下方向の寸法および振動を測定してローター３ａの回転バランスを確認する。そして、ローター３ａの回転バランスが悪い場合には、例えば、予め設けた溝部１３ａ、１３ｂに接着剤塗布装置１４で接着剤を塗布することにより重さのばらつきを変更してローター３ａの回転バランスを調整する。また、接着剤塗布装置１４に代えてレーザー加工機（図示しない）を用い、ローター３ａの裏面にレーザー光を照射してその一部を除去することにより回転バランスを調整してもよい。これらの作業をロータ３ａの回転バランスが望ましい状態になるまで繰り返し行うことにより、効率的な流体の流れを確保でき、故障の少ない燃料電池用流体供給装置１ｃを提供することができる。
【００３８】
なお、透過部材の材料は、上記の測定器に対応して適宜選定することができる。例えば、上記の測定をレーザーを照射してその反射時間を測定する方式で行う場合にはレーザーを透過する材料を使用すればよく、上記の測定を顕微鏡観察により行う場合には可視光を透過する部材であればよい。特に、安価で、入手が容易なガラスを用いるのが望ましい。上記の溝部１３ａは、モーターを作製する際に予め作製しておけばよく、溝部１３ｂは、図１２に示した例のように、ローターとディフューザーとを分離する際に裏面側から照射するレーザー光によって、予め作製しておくことができる。
【００３９】
７．その他の実施形態について
図１７は、他の燃料電池用流体供給装置を示す断面図である。本発明の燃料電池用流体供給装置１ｄは、前述した構成部材と同様の構成部材、即ち、アッパーカバー２ｂ（図１３に示す「アッパーカバー２ａ」でもよい）、ディフューザー４ｅ（図１、５、６、７等に示す「ディフューザー４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ」でもよい）、ならびにハウジング６ａと、更に、中央部に貫通孔を有し、二次元形状の翼７ａを有するローター３ｂおよび中央部に半球状の突起部１５（以下、「スピナー１５」という）を有するモーター５ｃを構成部材とするものであってもよい。
【００４０】
このような構成を有する燃料電池用流体供給装置１ｄは、ローター３ｂの回転と同調してスピナー１３も回転し、アッパーカバー２ｂの吸込口付近の流体を整流するため、流体の流動性を更に向上させることができる。
【００４１】
なお、モーターとしては、スピナーを有しない場合も有する場合も金属材料を用いることができる。また、いずれの場合も機械加工により製造すればよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、流体の供給圧力が２００ｋＰａ以上の小型の燃料電池用流体供給装置を提供することができる。また、本発明の望ましい態様によれば、ロータの回転バランスを組立後に調整できる燃料電池用流体供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用流体供給装置の縦断面を分解してなる図である。
【図２】図１中のＡ部を拡大した図である。
【図３】図１中のＡ部を拡大した図である。
【図４】本発明の燃料電池用流体供給装置に係るロータの上面図である。
【図５】本発明の燃料電池用流体供給装置に係る翼無しのディフューザーを示す上面図である。
【図６】本発明の燃料電池用流体供給装置に係る翼有りのディフューザーを示す上面図である。
【図７】ディフューザーとローターの設置例を示す上面図である。
【図８】図７のＢ部を拡大した図である。
【図９】翼の一部と排出口を構成する部材とを一体に成形したディフューザーを示す図である。
【図１０】ローターおよびディフューザーの一部の製造方法であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図を示す。
【図１１】ローターおよびディフューザーの一部の製造方法であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＹ−Ｙ断面図を示す。
【図１２】ローターおよびディフューザーの一部の製造方法であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＺ−Ｚ断面図を示す。
【図１３】本発明の燃料電池用流体供給装置の一例を示す断面図である。
【図１４】図１３中のＣ部を拡大した図である。
【図１５】他のアッパーカバーを用いた燃料電池用流体供給装置を示す断面図である。
【図１６】図１５に示すアッパーカバーを用いる場合の使用形態を示す断面図である。
【図１７】他の燃料電池用流体供給装置を示す断面図である。
【図１８】従来の遠心ポンプに用いられるローターを示す上面図である。
【図１９】二次元形状および三次元形状の定義を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ．燃料電池用流体供給装置、２ａ、２ｂ．アッパーカバー、
３ａ、３ｂ．ローター、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ．ディフューザー、
５ａ、５ｂ．モーター、６ａ．ハウジング、７ａ．（ローターの）翼、
８ａ．（ディフューザーの）翼、９ａ．排出口構成部材、１０ａ．排出口、
１１ａ．透過部材、１２．測定器、１３ａ、１３ｂ．溝部、１４．接着剤塗布装置、
１５．スピナー、１６．従来のローター、１７．従来の翼、１８ａ、１８ｂ．加工面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004296404.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004296404.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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