JP2002310081A

JP2002310081A - 燃料電池用スクリュー式流体機械

Info

Publication number: JP2002310081A
Application number: JP2001113396A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Kametani; 裕敬亀谷; Hitoshi Nishimura; 仁西村; Masayuki Kasahara; 雅之笠原; Shigeru Machida; 茂町田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池に用いる圧縮機と膨張機を一体化する
とともに、小型高効率化する。【解決手段】スクリュー式流体機械は、雄ロータ１と雌
ロータ２とを有している。雄ロータ１は２個の雄ロータ
１ａ、１ｂを一体化してものであり、雌ロータ２も２個
の雌ロータ２ａ、２ｂを一体化している。２個の雄ロー
タ１ａ、１ｂの捩り方向およびピッチは同一である。第
１のスクリュー要素１００は圧縮機として作動し、第２
のスクリュー要素１１０は膨張機として作動する。第２
のスクリュー要素には燃料電池の排気が導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気中の空気を利
用する燃料電池用スクリュー式流体機械に係り、特に空
気を圧縮する圧縮機と燃料電池の排気を膨張させる膨張
機とを備えた燃料電池用スクリュー式流体機械に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水素と酸素を化学反応させて電機エネル
ギーを発生させるので、クリーンで地球環境負荷が少な
い燃料電池がクローズアップされている。このような燃
料電池の例が、特開平７-１４５９９号公報及び特開２
０００−１４９９７２号公報に記載されている。この中
で、特開平７-１４５９９号公報には、空気圧縮のため
に必要なエネルギ消費を最小にしながら、すべての運転
範囲で燃料電池装置の発生出力を最適にするために、空
気供給導管に回転数可変の圧縮機を、空気排出導管に吸
収能力可変の膨張機を設けることが記載されている。

【０００３】また、特開２０００-１４９９７２号公報
には、燃料電池の排出ガスより残留エネルギを回収し、
膨張機の無駄な動力消費を伴うこと無く、圧縮機の動力
助勢として利用するために、燃料電池の空気供給管に接
続したスクロール型圧縮機と、空気排出管に接続したス
クロール型回生機とをモータ出力軸の両端に、対称的に
結合することが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記特開平
７-１４５９９号公報に記載のものは、膨張機を用いて
燃料電池から無駄に捨てられていたエネルギーを回収す
るようにしているので、省エネルギーの観点からは好ま
しい。特に自動車用等の燃料電池では小型高効率化が望
まれるが、エネルギー回収をするので高効率を達成しや
すい。しかしながら、この公報に記載のものは、エネル
ギー回収については十分考慮しているものの、例えば自
動車用の燃料電池において車載するための構成について
は考慮が不十分である。つまり、燃料電池の小型化に関
しては考慮されていない。

【０００５】一方、特開２０００-１４９９７２号公報
に記載の燃料電池においては、モータの両端にスクロー
ル圧縮機及び回生機を接続しているので、エネルギー回
収と小型化の双方を解決できる。しかしながらこの公報
に記載のものは小容量機には好適であるが、旋回スクロ
ール部材を旋回運動させる必要があり、大容量を必要と
する場合には回転釣り合わせや振動低減が困難となる。
したがって、大容量化または高速化の面で不十分であ
る。

【０００６】本発明は上記従来技術の有する不具合に鑑
みなされたものであり、その目的はスクリュー式の圧縮
機と膨張機を一体化するとともに、高効率で信頼性の高
い燃料電池を実現することにある。本発明の他の目的
は、大容量化が望まれる燃料電池システムにおいて、エ
ネルギ損失を小さくし、構造を簡素化することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、第１および第２の雄歯形が直
列状に形成されたスクリュー雄ロータと、第１および第
２の雌歯形が直列状に形成されたスクリュー雌ロータと
をケーシング内に保持し、第１および第２の雄歯形の捩
れ方向を同一方向としたものである。

【０００８】そしてこの特徴において、第１の雄歯形と
第２の雄歯形のピッチを実質的に同一にする；第２の雄
歯形が収容される前記ケーシング部に燃料電池本体から
排出される排気を導く吸気口を設け、第１の雄歯形が収
容されるケーシング部に大気を吸気可能な吸気口を設け
る；雄ロータまたは雌ロータのいずれかの軸端部を、外
部動力を入力可能に形成する；雄ロータおよび雌ロータ
に形成した歯形は非対称歯形であり、それぞれの第１の
歯形と第２の歯形は軸方向から見て裏返しの関係にある
ことが望ましい。

【０００９】上記目的を達成するための本発明の第２の
特徴は、雄歯形が形成された雄ロータと、雌歯形が形成
された雌ロータと、これら雄ロータと雌ロータとを収容
するケーシングとを備え、雄ロータと雌ロータの少なく
とも何れかのロータ軸端部にバランスピストンを設け、
このバランスピストンにより仕切られる２つの空間に燃
料電池本体から排出される排気を圧力差を設けて導いた
ものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明のいくつかの実施例
を、図面を用いて説明する。図５は、圧縮機と膨張機が
一体化した燃料電池システム５１のシステム構成図を説
明する図である。燃料電池の本体部分である燃料電池ス
タック５２には、水素あるいは水素を多く含む気体を通
す水素室５３に接して水素極５４が設けられている。ま
た、大気を圧縮して送り込む空気室５５に接して酸素極
５６が設けられている。これら水素極５４と酸素極５６
の間には、水素イオン透過膜５７が挟まれている。

【００１１】エアクリーナ５８で粉塵を取り除かれて清
浄化された大気は、圧縮機５９で昇圧した後空気室５５
に送られる。空気室５５に送られた圧縮空気中の酸素の
一部は、水素室５３に供給された水素と反応して、水ま
たは水蒸気となる。その結果、空気室５５から流れ出る
空気中の酸素量は減少しており、水あるいは水蒸気が多
く含まれる。この空気室５５からの排気は、加圧された
空気が元であり燃料電池スタック５２における通過損失
もそれほど大きくないので、圧力はまだ大気より高い。
そこで排気を膨張機６０に導いて、動力を回収する。燃
料電池スタック５２の圧力損失は、大気圧0.1MPaの空気
を吸込み圧縮機５９で0.3MPaまで昇圧するとしても0.02
MPa程度であり、排気にはまだ0.28MPa程度の圧力が残
る。

【００１２】回収した動力は、圧縮機５９と膨張機６０
を連結する連結軸６１を介して圧縮機５９に送られる。
なお、圧縮機５９で大気を加圧するには、膨張機６０で
回収したエネルギーだけでは不十分であるから、連結軸
６１をさらに延ばしてこの軸端を電動機６２軸と接続す
る。したがって、圧縮空気を供給するときにはエネルギ
が消費されるので、燃料電池のエネルギ効率を向上させ
るためには、圧縮機の効率向上はもちろんのこと、膨張
機を用いて動力を回収するのがよい。

【００１３】そこで、本発明では圧縮機と膨張機とを一
体化して、燃料電池の効率の向上と小型化を図ってい
る。その例を、図１及び図２を用いて説明する。図１
は、本発明の燃料電池の一実施例の水平断面図である。
本図では、圧縮機及び膨張機にスクリュー式流体機械を
用いている。

【００１４】スクリュー式流体機械では、雄ロータと雌
ロータの一対のロータを同期回転させることにより、圧
縮作動室や膨張空間を形成する。対をなす雄ロータ１ａ
および雌ロータ２ａは、ケーシング３に内蔵され、第１
のスクリュー要素１００を構成する。他の一対のロータ
１ｂ、２ｂが、ケーシング４に内蔵され、第２のスクリ
ュー要素１１０を構成する。２つのスクリュー要素１０
０、１１０の雄ロータ１ａ、１ｂどうしあるいは雌ロー
タ２ａ、２ｂどうしは、各々一体化された雄ロータ１、
雌ロータ２を形成する。この一体化された雄ロータ１ま
たは雌ロータ２は、１本の丸棒素材から２つのスクリュ
ー歯をホブ等により一体加工して得られる。ただし一体
加工にすると、軸長が長くなりすぎる場合には、別個に
加工し、その後軸端を嵌合等により接続するようにして
もよい。

【００１５】第１のスクリュー要素１００と第２のスク
リュー要素１１０の軸直角断面における歯形は、軸方向
から見て裏返しでほぼ同一形状である。２つの雄ロータ
１ａ、１ｂのリードは同一であり、ねじり方向も同一の
左巻きである。これらの雄ロータ１ａ、１ｂと噛み合う
雌ロータ２ａ、２ｂのねじり方向は、右巻きである。

【００１６】スクリュー式流体機械に用いるロータの歯
形形状としては、性能が優れているので前進面と後進面
で形状の異なる非対称歯形を用いる。非対称歯形を用い
ると、作動室の容積が拡大する行程あるいは縮小する行
程のいずれかで、内部漏れを少なくすることができる。
そこで、圧縮機として作動する第１のスクリュー要素１
００では作動室容積が縮小する行程で、膨張機として作
動する第２のスクリュー要素１１０では拡大行程時に内
部漏れを少なくする。内部漏れの低減方法を、図６と図
７を用いて説明する。

【００１７】図６は圧縮機として動作する時を示し、両
ロータは矢印６１、６２の方向に回転する。隣接する作
動室への漏洩流路であるブローホールはボアの尖点であ
るカスプ部６３、６４に隣りあってこれらのブローホー
ルの中で、圧縮過程にあり内圧が高い作動室６５に面す
るカスプ部６３に隣りあうブローホールが、性能に大き
な影響を及ぼす。そこで、このブローホール面積が小さ
くなる非対称歯形を用いる。曲率半径の小さい雌ロータ
１ｂ歯先の尖り方向が前向き、曲率半径の小さい歯先の
丸みのある方向が後ろ向きになる。

【００１８】図７に示す膨張機においてロータの回転方
向を図６の圧縮機と同一の方向６１、６２としたときに
は、膨張過程にある作動室６６に面するカスプ部６７の
側に形成されるブローホールが性能に大きな影響を与え
る。そこで、ブローホールを小さくするために、非対称
歯形を図６の場合と裏返し形状で形成する。

【００１９】２つの雄ロータ１ａ、１ｂのスクリュー歯
は、互いにねじりの向きを反対に加工する。これに伴
い、これら雄ロータと噛み合う雌ロータ２ａ、２ｂのね
じり方向も逆となる。ここでは雄ロータ１ａと雌ロータ
２ｂを左ねじ、雄ロータ１ｂと雌ロータ２ａを右ねじと
する。雌雄ロータを噛み合わせ、各ロータの外周面と端
面をケーシングに形成したボアの壁面で囲む。これによ
り、雌雄両スクリューロータの歯間に形成される溝が、
ロータの回転によって容積が拡大縮小する圧縮室または
膨張空間を形成する。

【００２０】ケーシング３に、第１のスクリュー要素の
吸入口１１ａと吐出口１２ａが形成されている。雌雄両
ロータ１ａ、２ａの噛み合いにより形成された圧縮室の
容積がほぼ最大のときに圧縮室と吸入口１１ａとの連通
が絶たれるように、スクリュー歯形の輪郭に沿って吸入
口１１ａを形成する。圧縮室の容積が最大容積から所定
の圧縮比で縮小するときのスクリュー歯の輪郭に沿っ
て、吐出口１２ｂの輪郭を定める。同様に、ケーシング
４にも、第２のスクリュー要素の吸入口１１ｂと吐出口
１２ｂを設ける。ただし、第１の要素とは逆に、膨張空
間容積が最も小さくなるときのロータ歯形の輪郭に沿っ
て、吸入口１１ｂを形成する。所定の膨張比において、
膨張空間容積が最大となるロータ歯形の輪郭に合わせ
て、吐出口１２ｂを形成する。２つのケーシング３、４
は連結ケーシング５を介して一体化している。連結ケー
シング５及びケーシング３、４の結合にはボルト結合や
溶接等を用いれば良い。

【００２１】吸入口や吐出口の３次元的な位置関係を、
図１０により詳細に説明する。第１のスクリュー要素１
００の吸入口１１ａは、左側端部に示したハッチング部
分である。スクリュー歯面の軸端面部であるアキシャル
ポートと、スクリューロータの外周部の一部であるラジ
アルポートとを有している。第１のスクリュー要素１０
０の吐出口１２ａは、吸入口１１ａと対称位置であるロ
ータ１ａ、１ｂの下面であって第１のスクリュー要素１
００の右端部に形成される。

【００２２】第２のスクリュー要素１１０の吸入口１１
ｂは、第１のスクリュー要素と一体になった第２のスク
リュー要素１１０のロータ２ａ，２ｂの左端部であって
上面側に形成される。また、第２のスクリュー要素１１
０の吐出口１２ｂは、図１０の右側にハッチングで示し
た部分であり、スクリュー歯が形成されたロータの右端
部のスクリュー歯面の外周部である。

【００２３】各スクリュー要素１００、１１０はスクリ
ュー歯が形成された部分の両側を、軸受６ａ、６ｂ、６
ｃで回転自在に支持される。軸受６ａ、６ｂは円筒ころ
軸受でラジアル荷重を支え、軸受６ｃは組合せアンギュ
ラ玉軸受けでスラスト荷重を支える。アンギュラ玉軸受
６ｃは、軸方向の移動を規制する。

【００２４】第１のスクリュー要素１００の一方の軸端
部はケーシング３外に延在しており、動力入力軸７とな
っている。この入力軸７端部には、図示しないベルトが
装架されるプーリ１０が取付けられている。スクリュー
要素１００、１１０のケーシング４側端面には同期歯車
８ａ、８ｂが取付けられている。雌雄ロータ相互のバッ
クラッシよりも小さなバックラッシのこれら同期歯車８
ａ、８ｂを噛み合わせることにより、雌雄ロータは互い
に接触せずに回転する。

【００２５】歯車や軸受には、潤滑と冷却のために潤滑
油が供給される。この潤滑油が圧縮室や膨張空間に混入
すると、圧縮空気を後処理する必要が生じ好ましくな
い。そこで、軸受の周囲と圧縮室及び膨張空間を仕切る
軸シール９ｂ、９ｄを、各スクリュー要素１００、１１
０に形成されたスクリュー歯よりも外側に設ける。ま
た、スクリュー式流体機械の外部へ油が散逸するのを防
止するために、軸シール９ａをプーリ１０と軸受６ａ間
に設ける。さらに、圧縮室と膨張空間とを仕切るため
に、連結ケーシング５部に軸シール９ｃを設ける。

【００２６】このように構成した本実施例の動作と作用
を説明する。図示しない電動機からベルトとプーリ１０
を介して入力された動力は、動力入力軸７から雄ロータ
１ａ、１ｂに伝えられ、第１のスクリュー要素１００が
矢印方向に回転する。このとき第１のスクリュー要素１
００の一方の軸端に取付けられた同期歯車８ａが、第２
のスクリュー要素１１０の軸端に取りつけた同期歯車８
ｂと噛み合い、第２のスクリュー要素１１０の雌ロータ
２ａ、２ｂを回転させる。その結果、雄ロータ１ａと雌
ロータ２ａ間に圧縮作動室が、雄ロータ１ｂと雌ロータ
２ｂ間に膨張空間が形成される。

【００２７】すなわち、大気からエアクリーナを通して
吸い込まれた空気は、吸入口１１ａから第１のスクリュ
ー要素１００に導かれる。そして、第１のスクリュー要
素１００の両ロータ１ａ、２ａ間に形成された圧縮作動
室に閉じ込められる。ロータ１ａ、２ａが回転するにつ
れて圧縮作動室はその容積が減少し、空気は圧縮され
る。圧縮空気は、所定の圧力に達した後に吐出口１２ａ
から吐き出される。その後、燃料電池本体（ＦＣ）へ送
り出される。雄ロータ１ａ、雌ロータ２ａは非対称歯形
であるから、圧縮過程におけるブローホール面積を少な
く維持でき、内部漏洩を低減できる。

【００２８】燃料電池本体から排気される排気中の酸素
含有量は減少し、代わりに水蒸気が増加する。水蒸気の
一部は流路途中で取り除かれることもある。排気には、
水蒸気や反応に使われなかった残存酸素、反応に関係し
ない窒素や二酸化炭素などが含まれる。この排気は大気
圧よりも高い圧力のまま、第２のスクリュー要素１１０
の吸入口１１ｂに導かれる。そして吸入口１１ｂから第
２のスクリュー要素１１０の内部に入り、膨張作動室に
閉じ込められる。膨張作動室内の排気は、自身の圧力で
ロータ２ａ、２ｂを回転させるとともに、膨張作動室の
容積を増大させる。第２のスクリュー要素１１０ロータ
１ｂ、２ｂは非対称歯形であるから、膨張過程において
ブローホール面積を少なく維持でき、内部漏洩を低減で
きる。膨張作動室内の圧力が大気圧近くになったら吐出
口１２ａを大気側に開き、膨張作動室内の排気を大気に
排出する。

【００２９】なお、第２のスクリュー要素１１０で回収
される軸動力は、第１のスクリュー要素１００が有する
ロータ１ａ、２ａを駆動するには不十分である。そこ
で、圧縮に必要な動力の内の一部を第２のスクリュー要
素１１０で回収し、残りを動力入力軸７に接続された電
動機が負担する。

【００３０】本実施例では、圧縮機と膨張機とを一体化
して軸受や同期歯車等の機械要素を共有しているので、
機械要素で発生するエネルギ損失が、圧縮機と膨張機と
を別体に設けたときの約半分で済む。したがって、エネ
ルギ効率が向上する。

【００３１】スクリュー要素１００、１１０を支持する
軸受では、圧縮あるいは膨張過程にある気体の圧力が作
用するので、相応のガス圧荷重が作用する。この大きさ
は、例えば機械学会論文集(Ｃ編)58巻546号(1992年２
月、論文No.91-1039A)に記載された方法により求められ
る。大気圧を0.1MPa、燃料電池本体への供給圧力を0.3M
Pa、燃料電池からの排出圧力を0.28MPaとして試算す
る。なお、荷重の大きさはロータの大きさに依存するの
で、相対比較する。

【００３２】ロータに作用する軸方向の力であるスラス
ト荷重は、圧縮機であるスクリュー要素１００と膨張機
であるスクリュー要素１１０とで向きが反対でほぼ同じ
大きさとなる。これは、圧縮機の吸入圧と膨張機の吐出
圧はいずれもほぼ大気圧であり、圧縮機の吐出圧と膨張
機の吸入圧はいずれもほぼ空気室内圧となるので、歯形
が同一であれば、ほぼ同等の圧力が作用するからであ
る。２つのロータを一体化したので、圧縮機側から作用
する力と膨張機側から作用する力は相殺される。ガス圧
に起因する力以外のスラスト力は小さいので、組合せア
ンギュラ玉軸受６ｃには軽荷重用の使用できる。これに
より、スクリュー流体機械の小型化と、軸受の機械損失
の低減が図られる。

【００３３】次に、スクリュー要素１００、１１０が有
するロータの径方向の荷重であるラジアル荷重につい
て、図６、７を用いて説明する。この図６、７は、図１
０の矢視７１図である。第１のスクリュー要素１００を
第２のスクリュー要素１２１０と切り離して考える。第
１のスクリュー要素１００を両端支持したと仮定したと
きの、軸受に作用するガス圧荷重を図６に示す。すなわ
ち、雄ロータ１ａの吸入側軸受荷重はFcmL、吐出側軸受
荷重はFcmH、雌ロータ１ｂに作用する吸入側軸受荷重は
FcfL、吐出側軸受荷重はFcfHのようになる。

【００３４】同様に第２のスクリュー要素１１０を第１
のスクリュー要素１００と切り離して考え、両端支持す
ると仮定する。軸受に作用するガス圧荷重を、図７に示
す。雄ロータ２ａの吸入側軸受荷重はFemH、吐出側軸受
荷重はFemL、雌ロータ２ｂに作用する吸入側軸受荷重は
FefH、吐出側軸受荷重はFefLとなる。

【００３５】これに対し、２つのスクリュー要素１０
０、１１０を一体化したときの軸受荷重を、雄ロータ側
について図８に示す。雄ロータ１ａの吐出側軸受荷重Fc
mHと雄ロータ２ａの吸入側軸受荷重FemHは、ほぼ同一の
断面位置に作用する。この２つの荷重をベクトル合成し
て荷重FsmHが得られる。２つの雄ロータ１ａ、１ｂ間に
軸受が無いので、２つの雄ロータの長さをほぼ等しいと
して、合成荷重FsmHを２等分する。２等分した荷重を、
両端支持の軸受６ａ、６ｂが分担する。この合成荷重の
２等分量を雄ロータ１ａの吸入側軸受荷重FcmLと雄ロー
タ２ａの吐出側軸受荷重FemLにそれぞれ加えることによ
り、軸受荷重Fcb、Febが求められる。

【００３６】図８中のベクトルの長さからわかるよう
に、軸受荷重Fcb、FebはFcmHやFemHに比較して小さい。
これは、FcmHとFemHの図の縦方向成分が互いに相殺され
たことによる。なお、雌ロータ側についても、同様であ
る。

【００３７】軸シール９ｃの両側の圧力差は、燃料電池
本体（ＦＣ）の空気室の通過圧損程度であるから、シー
ル部に生じる内部漏れは比較的少ない。また、若干の漏
洩が発生しても、酸素と水蒸気の濃度が僅かに入れ替わ
るだけであるから実用上影響が無く、軸封部を簡素化で
きる。

【００３８】本実施例においては、２つのスクリュー要
素のロータ長さをほぼ同一にしたが、燃料電池に供給さ
れる圧縮空気量と燃料電池から排出される圧縮空気量と
では、体積流量では異なっているから、２つのスクリュ
ー要素の長さを異ならせてもよい。この場合、軸受の分
担重量が少し変化するが、それでも２つのスクリュー要
素間の軸受を省いたので、機械損失が低減する。また、
２つのスクリュー要素間を大気圧側とし、２つのスクリ
ュー要素の両端部を高圧側としているが、逆の圧力関係
であってもよい。

【００３９】また、２つのスクリュー要素のロータを同
じ形状で裏返しとなる歯形としたので、第１のスクリュ
ー要素と第２のスクリュー要素の双方において、作動室
に連通するブローホール面積を縮小できるとともに内部
漏洩を低減できる。

【００４０】さらに、スクリュー歯はホブやフライスを
用いて加工されることが多い。いずれの加工方法におい
ても、裏返し形状の歯形を加工するには、同一工具を工
作機械に反対向きにセットするだけで可能である。した
がって、圧縮用と膨張用の個別の工具を必要とせず、工
具の共通化が可能である。また、ねじり方向ならびにリ
ードも同一としたので、２つの雄ロータまたは雌ロータ
を加工する際には、工具を反転するだけでよく、工作機
械の段取りに要する時間を低減できる。

【００４１】次に、本発明の他の実施例を、図９、１１
を用いて説明する。本実施例が上記実施例と相違するの
は、スクリュー歯のねじり方向をすべて逆とし、ポート
の位置と形状は図１１に示した位置に設けたことにあ
る。すなわち、第１のスクリュー要素１００の吸込み側
を第２のスクリュー要素１１０側に、第１のスクリュー
要素の吐出側を第１のスクリュー要素１００の端部側
（図１１で左端側）に設け、第２のスクリュー要素１１
０の吸込み側を図の右端側に、第２のスクリュー要素１
１０の吐出側を第１のスクリュー要素１００側に設けて
いる。

【００４２】ラジアル軸受に作用する荷重は、図６、７
に示した説明したものと同一であり、吸入と吐出の位置
が反転している。大気圧側の軸受荷重FcmL、FemLをベク
トル合成して得た荷重FsmLを２等分し、両端の軸受に分
担させる。その結果、両端の軸受荷重はFcb、Febとな
る。これらの軸受荷重の大きさは、第１のスクリュー要
素１００あるいは第２のスクリュー要素１１０単独とし
たときの軸受荷重FcmH、FemHに比較して大きいものの、
その増量は各ロータにFcmL、FemLをそのまま加えた場合
に比べて小さい。したがって、軸受はそれほどサイズア
ップしなくて済む。

【００４３】本実施例によれば、大気圧側となる圧縮機
の吸入端面と膨張機の吐出端面が隣接しているので、２
つのロータにはさまれた軸シール９ｃの両側圧力差を極
めて小さくできる。したがって、圧縮機の吸入圧力いか
んによっては、専用の軸封要素を必要とせず、軸と穴の
隙間を小さくするだけでよい。

【００４４】また、本実施例によれば、２つのロータ１
ａ、２ａまたは１ｂ、２ｂを有する回転体に作用するガ
ス荷重の径方向成分は、ほぼ大気圧である中央部で低く
両端で高い。回転体を梁と近似すると、上記図１０に示
した実施例に比べて、曲げの弾性変形量を小さくでき
る。したがって、回転体形状が細長い場合や材質の弾性
係数が小さい場合などに好適である。

【００４５】次に本発明のさらに他の実施例を図３およ
び図４により説明する。図３は、比較的小型の燃料電池
システムに用いるスクリュー式流体機械の例である。本
実施例が上記各実施例と異なる点は、膨張機の雄ロータ
２１ｂを圧縮機の雄ロータ２１ａと同一リードではある
が長さを短くしたことにある。雌ロータは噛み合う雄ロ
ータと同じ長さであるから、圧縮機側の雌ロータ２２ａ
は膨張機側の雌ロータ２２ｂより短い。本実施例では、
ロータ長を短くしたので、膨張作動室の最大容積は圧縮
作動室に比べて小さくなる。図示しない膨張機の吐出ポ
ートは、もはや圧縮機の吸入ポートと同一形状ではな
い。膨張作動室の圧力が大気圧近くまで低下したときに
吐出ポートが開口するように、吐出ポート形状と位置を
定める。

【００４６】ロータを２個備えた回転体１組に作用する
ラジアル荷重とスラスト荷重とを、水潤滑すべり軸受２
６ａ、２６ｂで支持する。圧縮作動室と膨張作動室は、
ロータを収納するケーシングであるボアの端面と軸シー
ル２９ｂとで隔てられている。雄ロータ２１ａの軸を延
在させて、軸シール２９ａを介して電動機２３の回転軸
と一体化する。電動機２３のステータを、ケーシング３
ａに保持する。ロータ表面を水潤滑に好適なように表面
処理するか、またはロータ自身を防水性や耐侵水性に優
れたものとする。雄ロータと雌ロータとは直接接触する
ので、同期歯車は不要である。

【００４７】このように構成した本実施例では、圧縮機
部分から送り出した圧縮空気が燃料電池本体を通過した
後に、水分抽出手段において排気中に含まれる水蒸気が
除去される。その際、排気の温度が低下し、体積流量が
縮減する。これにより、動力回収に供される圧縮気体が
減少する。この減少分だけ膨張機の膨張作動室の容積を
縮小する。この結果、圧縮行程と膨張行程における容積
をマッチングさせ、適正な燃料電池反応圧力を確保でき
る。また、排気が膨張するときの動力を最大限に回収で
きる。

【００４８】また、雄ロータと雌ロータ間とを直接接触
させてトルクを伝達するので、同期歯車や潤滑油が圧縮
作動室及び膨張作動室に侵入するのを防止する軸封手段
が不要となり、装置の小型化や簡素化が可能である。さ
らに、圧縮作動室に注入された水は、潤滑の他に隙間の
シール効果や圧縮熱を奪う冷却効果を奏するので、圧縮
に要する動力を低減し、エネルギ効率が向上する。さら
にまた、電動機を一体化したので、全体をコンパクト化
できる。なお、ロータの長さは圧縮側と膨張側で異なる
が、歯形とリードが共通であるので、上記各実施例と同
様に、加工が容易になる。

【００４９】本発明のさらに他の実施例を、図４に示
す。本実施例が上記各実施例と相違するのは、バランス
ピストンを備えたことである。噛み合う一対のロータ
は、圧縮用であり、両ロータの軸をモータと反対側に延
在させ、各々に円盤形状のバランスピストン４１を設け
る。バランスピストン４１が設けられた部分のケーシン
グ４４は、シリンダ状に形成されており、２個のシリン
ダを備えている。両シリンダは、ピストン４１によって
上流圧室４２と下流圧室４３に分割される。なお、ピス
トン４１はシリンダ内壁とせずに微小な隙間を保って回
転する。雄ロータ側の上流圧室４２と雌ロータ側の上流
圧室４２ｆとは連通しており、下流圧室４３と４３ｆも
壁面に形成した穴により連通している。

【００５０】燃料電池本体の空気室の内圧を大気圧より
高い所定圧力に保つため、排気流路の途中に圧力調整弁
４５を設ける。この調整弁４５は上流側の圧力が所定値
より高いときは開度を増し、低いときは減少させる。こ
れにより、上流側圧力が一定に保たれる。燃料電池シス
テムを運転すると、圧力調整弁４５を境に差圧が生じ
る。

【００５１】圧力調整弁４５の上流側流路に分岐部４６
を設け、燃料電池本体からの排気の一部を上流圧室４２
に導く。また、下流側流路にも分岐部４７を設け、下流
圧室４３と下流側流路を連通させる。雄ロータと雌ロー
タのそれぞれの上流圧室４２、４２ｆは流路で連通し、
下流圧室４３と４３ｆも連通している。

【００５２】本実施例においては、ロータに作用する軸
方向のガス荷重方向は圧力の高い吐出側４９から吸入側
４８に向かう。これに対し、バランスピストン４１、４
１ｆには圧力の高い上流圧室４２から下流圧室４３の方
向にガス荷重が作用する。これら２つの軸方向の力は相
殺されるから、スラスト荷重が軽減される。なお、荷重
変動による振動を防止するために、スラスト荷重を必ず
しも完全にバランスさせる必要はない。悪影響が出ない
程度までスラスト荷重を軽減して、残りのスラスト荷重
はスラスト軸受で支持するようにしてもよい。

【００５３】スクリュー圧縮機の圧力の吸入条件や吐出
条件が変化しても、圧力差はほぼ同じになるから軸方向
の力もほぼ一定であり、ロータ軸に作用するスラスト荷
重に大きな変化は生じない。また、圧力条件が崩れて
も、負のスラスト力が発生するだけであり、軸方向振動
は誘起されない。スラスト力が小さいと、スラスト力を
支持する軸受を小さくでき、スクリュー圧縮機の小型化
と機械損失の低減が可能になる。本実施例によれば、比
較的小型の燃料電池用空気供給装置において、排気圧力
による回転動力の回収が難しいときであっても、ロータ
に作用するスラスト力を低減できる。

【００５４】また、上記各実施例では、特に圧縮機の圧
力レベルについては言及していないが、本発明では、Ｊ
ＩＳＢ０１３２「送風機・圧縮機用語」で「圧力比が２
以上または吐出し圧力が約０．１ＭＰａ以上の機械」と
定義された圧縮機はもちろんのこと、この圧力よりも低
い圧力で運転されるブロワをも含む。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
電池に圧縮空気を供給する圧縮機と膨張機とを一体化し
たので、燃料電池の小型化が可能になるとともにエネル
ギ効率を向上できる。また、スラスト荷重を自動的に調
節できるようにしたので、信頼性の高い圧縮機と膨張機
を一体化した燃料電池を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用流体機械の一実施例の
水平断面図である。

【図２】図１に示した燃料電池用流体機械の垂直断面図
である。

【図３】本発明に係る燃料電池用流体機械の他の実施例
の水平断面図である。

【図４】本発明に係る燃料電池用流体機械さらに他の実
施例の水平断面図である。

【図５】燃料電池システムの系統図である。

【図６】圧縮機側の歯形と径方向軸受荷重を説明する図
である。

【図７】膨張機側の歯形と径方向軸受荷重を説明する図
である。

【図８】雄ロータの径方向軸受荷重を説明する図であ
る。

【図９】雄ロータの径方向軸受荷重を説明する図であ
る。

【図１０】ポートと流路の位置関係を説明する図であ
る。

【図１１】ポートと流路の位置関係を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ…雄ロータ、２、２ａ、２ｂ…雌ロー
タ、３…圧縮側ケーシング、４…膨張側ケーシング、５
…連結ケーシング、６ａ、６ｂ、６ｃ…軸受、７…動力
入力軸、８…同期歯車、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…軸シ
ール、１１ａ…圧縮機吸入口、１１ｂ…膨張機吸入口、
１２ａ…圧縮機吐出口、１２ｂ…膨張機吐出口、２１
ａ、２１ｂ…雄ロータ、２２ａ、２２ｂ…雌ロータ、２
３…電動機、２６ａ、２６ｂ…すべり軸受、２９ａ、２
９ｂ…軸シール、４１…バランスピストン、４２…シリ
ンダケース、４３…高圧室、４４…低圧室、４５…圧力
調整弁、５１…燃料電池システム、５２…燃料電池スタ
ック、５３…水素室、５４…水素極、５５…空気室、５
６…酸素極、５７…透過膜、５８…エアクリーナ、５９
…圧縮機、６０…膨張機、６１…連結軸、６２…電動
機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｎ 8/06 8/06 Ｋ (72)発明者笠原雅之静岡県清水市村松390番地株式会社日立製作所産業機器グループ内 (72)発明者町田茂茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 3H029 AA03 AA09 AA18 AB02 BB32 BB43 CC03 CC05 CC08 CC16 CC24 CC25 CC30 5H027 AA02 BC19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１および第２の雄歯形が直列状に形成さ
れたスクリュー雄ロータと、第１および第２の雌歯形が
直列状に形成されたスクリュー雌ロータとをケーシング
内に保持し、前記第１および第２の雄歯形の捩れ方向を
同一方向としたことを特徴とする燃料電池用スクリュー
式流体機械。
【請求項２】前記第１の雄歯形と第２の雄歯形のピッチ
を実質的に同一にしたことを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池用スクリュー式流体機械。
【請求項３】前記第２の雄歯形が収容される前記ケーシ
ング部に燃料電池本体から排出される排気を導く吸気口
を設け、前記第１の雄歯形が収容される前記ケーシング
部に大気を吸気可能な吸気口を設けたことを特徴とする
請求項１または２に記載の燃料電池用スクリュー式流体
機械。
【請求項４】前記雄ロータまたは雌ロータのいずれかの
軸端部を、外部動力を入力可能に形成したことを特徴と
する請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用ス
クリュー式流体機械。
【請求項５】前記雄ロータおよび雌ロータに形成した歯
形は非対称歯形であり、それぞれの第１の歯形と第２の
歯形は軸方向から見て裏返しの関係にあることを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池
用スクリュー式流体機械。
【請求項６】雄歯形が形成された雄ロータと、雌歯形が
形成された雌ロータと、これら雄ロータと雌ロータとを
収容するケーシングとを備え、雄ロータと雌ロータの少
なくとも何れかのロータ軸端部にバランスピストンを設
け、このバランスピストンにより仕切られる２つの空間
に燃料電池本体から排出される排気を圧力差を設けて導
いたことを特徴とする燃料電池用スクリュー式流体機
械。