JP2008184960A - 高温ガス送風用ファン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ローター7とステーター8を軸受箱6に内蔵し、回転軸1を囲む空間を密閉用フランジ9とケーシング16とで外界から遮断密閉し完全ガスタイトなシール構造を得ると共に、軸受箱6の端部にヒートシンク21を配置し軸受箱の空冷機構を構成する。
【選択図】図8
Description
この燃料ガスをそのまま燃料極に供給し反応させる方法よりも、高温の燃料ガスを水蒸気と次式のように反応させ純水素を生成する、いわゆる水蒸気改質したうえで燃料極に供給した方が反応効率が向上し、発電効率が増大すると指摘されている。
(水蒸気改質の反応式)CH4+2H2O→CO2+4H2
水蒸気改質するためには燃料ガスを加湿する必要が生じる。しかし工業用水や家庭用の水を用いて加湿すると、それらの水に含まれる不純物が燃料電池本体を汚染あるいは腐食し、燃料電池本体の性能や耐久性に致命的な悪影響をおよぼす。また該不純物を完全に除去するための装置を供給水ラインに設置することは設置スペースや初期投資の面で問題があり現実的でなかった。
また燃料極に供給される700〜1000℃に加熱された燃料ガスは、燃料極との1回の接触では、反応可能な水素及び一酸化炭素を全て反応させることはできない。燃料ガスを循環再利用することで、燃料ガスを効率良く使用することが可能となると共に、燃料ガスの有する顕熱も再利用可能となり、この点においても発電効率は増大する。
前述の理由から、固体酸化物型燃料電池プロセスへ高温ガス送風用ファンを適用し高温燃料ガスを循環させることが真剣に検討されてきた。
1)高温燃料ガスは可燃性であり、プロセスによっては致死性であるので高温燃料ガスをシステム外に漏らしてはならない。
2)僻地での分散電源として使用される場合があることおよび燃料電池システム自体の簡素化のため、ユーティリティは燃料電池システム自体から供給される直流電源以外に使用してはならない。使用量は発電量の約5%以下であること。
3)一般家庭や小規模集合住宅に分散電源として設置されるため、コンパクトであること。
4)初期投資額が小さいこと。具体的には燃料電池システムの販売価格の5%以下が望ましい。
5)高温燃料ガスの結露防止のため、高温燃料ガスに晒される部分の温度を常に露点温度以上とすること。
従来高温ガス送風用ファンの軸封方法としては、断熱層と軸受との間に配設された冷却部と軸受との間に第一の軸封装置を回転軸に挿通して設け、且つ回転軸のモーター側に装着された第二の軸受と回転軸の軸端に設けられた軸継手との間に第二の軸封装置を回転軸に挿通して配置する方法が一般的である。第一、第二の軸封装置としてはグランドパッキン、オイルシール、Oリング、ラビリンス、メカニカルシールなどが使用されている。
ラビリンス、メカニカルシールについては、内部プロセスガスを外部に漏洩させないため、常時パージガスで押し返す必要があり、パージガスの内部プロセスガスへの混入が避けられない。固体酸化物型燃料電池プロセス等においてはプロセスガスの純度がプロセス性能上非常に重要であり、一般にはパージガスの混入は許されない。固体酸化物型燃料電池プロセス等の場合、パージガスを使用するとすれば、窒素やヘリウム等の高価な不活性ガスが用いられるものと考えられるが、ユーティリティコストが増大し、その結果発電単価が上昇する。また一般家庭や小規模集合住宅に分散電源として設置される固体酸化物型燃料電池等の場合、パージガスのボンベのスペース、安全管理、補給等の問題が発生し現実的でない。
前述の通り、電源以外のユーティリティを使用せず、コンパクトで簡便な完全ガスタイトの軸封装置は現実的に存在しなかった。
天然ガスなどを燃料とする固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガス、すなわちプロセスガスの露点は約70℃であるため、上記のように温度の低い水や潤滑油などの抜熱媒体を利用すると、過冷却となり水冷ジャケットなどの冷却部近傍で結露が生じ、軸受を劣化させるとともに、水分の凝縮から派生する腐食、汚染物質の溶出、飛散などにより燃料電池本体が劣化し、燃料電池の性能や耐久性に致命的な悪影響をおよぼす問題があった。
更に、抜熱媒体を循環供給するポンプなどの装置の電源が停電したり、該装置自体が故障して抜熱媒体の供給が停止した場合、電気的な制御機構等により高温ガスの加熱を停止するなどの措置が取られるが、装置内部の700〜1000℃の高温ガスや高温に加熱された断熱材の保有熱量によって、軸封装置や軸受が致命的な損傷を受ける可能性がある。
固体酸化物型燃料電池の量産時目標コストは発電量1kWあたり1000ドルと想定されている。家庭用などで普及が期待される5kW用燃料電池を想定するとコストは5000ドルであり、当該システムに採用される高温ガス送風用ファンのコストは燃料電池コストの5%以下に相当する250ドル以下を実現する必要がある。上記量産時コストを実現するには部品点数が多いことは致命的であった。
また、固体酸化物型燃料電池プロセスの場合の高温ガスである高温燃料ガスは体積比で30〜50%の水蒸気を含有するため、高温水蒸気酸化による材料強度の劣化に対する配慮も必要となる。
本実施例において、断熱層19はセラミックスファイバー製のものが採用され、断熱ブロック5と同様に高温ガスから軸受箱6への伝熱量を低減させている。断熱ブロック5は上記セラミックスファイバーの高温ガス流路への散失も防いでいる。
また本実施例においてはローター7の近傍に回転制御用センサー10、回転制御用マグネット11からなるホールセンサーを配置しているが、より好ましくはセンサーレスタイプのモーターを使用すれば更に部品点数は低減され量産コスト面で有利になる。
本実施例では形状をよりコンパクトにするためにファン回転数を20000rpmと非常に高い回転数としている。このような高回転数でファンを回転させるためには回転体のバランス調整を高精度で実施する必要がある。高精度のバランス調整はコストも一般的な精度のものより高くなる。モーター回転軸が不要となることから当該バランス調整がファン軸の調整だけで済む。この点も量産コスト面で大きな効果をもたらす。
吸い込み口14、インペラ2の外周部ガス流路及び吐き出し部15からなる部分は、高温ガスを効率よく昇圧、送風するための部分でスクロール部とも言われる。より効率を重視する場合、インペラ2の外周部ガス流路は断面積を吐き出し部15に近づくにつれて増大させる、すなわちガス流路各部のガス流速をより均一にする設計が採用されるが、形状が複雑となり量産コスト面では大きなマイナスとなってしまう。よって本実施例ではインペラ2の外周ガス流路の断面積は一定とし形状を簡単にしている。
本実施例においてはモーター部分が軸受箱6に内蔵されるため、軸受箱6の反インペラ側端面にヒートシンク21を配置することが可能となる。本実施例では、軸受箱6の反インペラ側端面に取り付けられた密閉用フランジ9の外側に付設し、ヒートシンク21を密閉用フランジ9を介して設けているが、密閉用フランジ9の外側をヒートシンク構造にすれば、ヒートシンク21は軸受箱6の反インペラ側端面に直接配置することができる。
一方、特許文献1の高温ガス送風用ファンの場合はモーター部分を外付けにしておりヒートシンクを当該軸受箱の端部に直接取り付けができないため、ヒートパイプを使用して軸受箱に伝熱される熱量をファン本体とは離れた所に配置されたヒートシンクまで熱輸送する必要があった。本実施例を特許文献1と比較すると、ヒートパイプ、軸受箱に設けるヒートパイプ埋設用穴、軸受箱とヒートパイプを接合する例えばロウ付け作業が不要となり、コスト面で非常に有利となる。
本実施例においてはモーター部分を軸受箱6に内蔵しているため、ステーター接続ケーブル12とセンサー接続ケーブル13等を外部に取り出す必要がある。本ファンから高温ガスを漏出させないためには、当該ケーブルを外部に引き出すルートにおいてガスシールをする必要がある。
本実施例においては密閉用フランジ9に配設したケーブル引き出し穴18において、複数個存在するケーブル同士の隙間も含めてケーブルと当該引き出し穴18の内周部との隙間を、例えば接着剤のようなシール性と接着性を共有する物で密着固定することで、高温ガスの本ファン系外への漏出を完全に固定できる。
尚、ケーシング16と密閉用フランジ9との接触面はシール用パッキン17でガスシールを実施している。
上記の通り本実施例では回転機械でありながらグランドパッキンなどの軸封装置を使用することなく完全ガスタイトの構造が得られる。
また、本実施例ではケーブルを密閉用フランジ9に設けたケーブル引き出し穴18からまとめて外部に取り出しているが、ケーブル引き出し穴18を複数箇所に設けて分けて取り出してもよい。
図7に示すように軸受箱6に内蔵されたモーターを構成するローター7とステーター8との間に、コップ状の気密性隔壁26を軸受箱6に対して例えばOリング27で気密に配置し、該気密性隔壁26で包囲された内部にローター7を収容することで、ケーブル引き出し穴18でシール施工することなく、気密性隔壁26部において高温ガスをシールすることができる。気密性隔壁26の材質はモーター性能の低下を防ぐため非磁性、非導電性であることが好ましい。本実施例では樹脂製の気密性隔壁を使用した。
本実施例の高温ガスに対するシール箇所はシール用パッキン17部とケーブル用シール材23部の2箇所であり、この両方のシールは静止物同士のシールであるため高温ガスの外部への漏出を確実に、且つ簡便に防ぐことが可能である。回転機械のシールは通常グランドパッキンやオイルシールなどの軸封装置で実施されるが、これらの軸封装置は回転軸との摺動磨耗で軸とのクリアランスが発生するなど長期的信頼性を有する完全ガスタイト構造とするのは事実上不可能である。固体酸化物型燃料電池は一般家庭や集合住宅、店舗など周囲に人間が居る環境で動作することが多いので、本実施例のように完全ガスタイト構造が実現できることは安全性の面からも非常に重要である。また本実施例のシールは簡便でありコスト的にも安価な方法であるので、量産コスト面でも優位性を有する。
固体酸化物型燃料電池システムには、電池の空気極に空気を供給するための空気ブロワが存在することから、この空気ブロワの空気を上記冷却用空気に流用することは容易である。上記空気ブロワからヒートシンク21までの配管が困難な場合は、該ヒートシンクに冷却扇を直接取り付ける方法も有効である。
本実施例による高温ガス送風用ファンを実際の固体酸化物型燃料電池において使用したところ、高温燃料ガス温度950℃、冷却用空気温度20℃の条件下で軸受温度は82℃に維持することができた。
2:インペラ
3:インペラ側軸受
4:反インペラ側軸受
5:断熱ブロック
6:軸受箱
7:ローター
8:ステーター
9:密閉用フランジ
10:回転制御用センサー
11:回転制御用マグネット
12:ステーター接続ケーブル
13:センサー接続ケーブル
14:吸い込み口
15:吐き出し口
16:ケーシング
17:シール用パッキン
18:ケーブル引き出し穴
19:断熱層
20:断熱ブロック固定プレート
21:ヒートシンク
22:ピン
23:ケーブル用シール材
24:シール用カラー
25:Oリング
26:気密性隔壁
27:Oリング
Claims (5)
- 回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラと、該回転軸の軸受を支持する軸受箱と、前記インペラと軸受箱との間に配置された断熱ブロックとで構成される高温ガス送風用ファンであって、前記回転軸のインペラとは反対側の軸端にモーターのローターが配設され、ローターの外周部にローターと非接触の状態で配置されるモーターのステーターが前記軸受箱の内周部に支持固定されていることを特徴とする高温ガス送風用ファン。
- 前記軸受箱の前記インペラと反対側の端部に密閉用フランジが配設され、該密閉用フランジに、モーターの動力線用および/または信号線用のケーブルを外部に導くための穴が配設されており、前記ケーブルと前記穴の内周部との間の隙間を密閉固定することにより、前記インペラの回転により送風される高温ガスが外部に対し遮断密閉されることを特徴とする請求項1に記載の高温ガス送風用ファン。
- 前記軸受箱の前記インペラと反対側の端部に軸受箱冷却用ヒートシンクを直接にまたは前記密閉用フランジを介して配設したことを特徴とする請求項1または2に記載の高温ガス送風用ファン。
- 前記ローターとステーターとの半径方向隙間に非磁性かつ非導電性の気密性隔壁を前記軸受箱に対して気密に配置し、該気密性隔壁内にローターを設けることを特徴とする請求項1、2または3に記載の高温ガス送風用ファン。
- 前記気密性隔壁が樹脂製であることを特徴とする請求項4に記載の高温ガス送風用ファン。
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