JP2008309005A - ターボ圧縮機および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】加湿用途に使用することができるターボ圧縮機および燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ターボ圧縮機１は、インペラ羽根３を有するインペラ２と、インペラ２を回転可能に保持すると共にインペラ２の回転に伴い発生する気流が流れる流路を有するボディ４と、ボディ４に設けられインペラ２を回転させる回転力発生部５とを有する。ボディ４は、気流が流れる流路に開口し液相状または気相状の水分を流路に供給する水分供給孔８を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明はインペラ羽根をもつインペラを有するターボ圧縮機および燃料電池システムに関する。

インペラ羽根をもつインペラを有するターボ圧縮機が知られている。このターボ圧縮機は、ボディと、回転可能にボディに支持されインペラ羽根をもつインペラと、インペラを駆動させる回転力発生部とを備えている（特許文献１，２）。回転力発生部によりインペラが回転駆動すると、インペラ羽根により空気等の気体が圧縮されて高圧となり、下流側に搬送される。更に、コンプレッサでカソードに向けて搬送される空気流を加熱する空気加湿装置をコンプレッサの下流側に設けた燃料電池システムが提供されている（特許文献３）。このコンプレッサはターボ圧縮機ではない。この空気加湿装置は、加湿水分用のポンプと、加湿水分を噴出するインジェクタとを備える。更に、超音波発生器およびヒータをもつ加湿器を備える燃料電池システムが提供されている（特許文献４）。
特開平９−２８０３８３号公報 特開平７−２１７４４０号公報 特開２００５−２９４１１６号公報 特開平７−２６３０１０号公報

近年、透湿膜などを利用した加湿器が盛んに研究されている。この形式の加湿器は大きな容積が必要である。また圧力損失も大きく、そのぶん大きな圧縮機が必要であった。

本発明は上記した課題を解決するために開発されたものであり、容積や圧力損失が低減できるターボ圧縮機を提供することを課題とする。

（１）第１発明に係るターボ圧縮機は、インペラ羽根を有するインペラと、インペラを回転可能に保持すると共にインペラの回転に伴い発生する気流が流れる流路を有するボディと、ボディに設けられインペラを回転させる回転力発生部とを具備するターボ圧縮機において、ボディは、流路に開口し液相状または気相状の水分を流路に供給する水分出口をもつ水分供給要素を備えていることを特徴とする。

インペラの回転に伴い発生する高圧の気流は、ボディの流路を流れる。インペラの回転に伴い発生する高圧の気流は圧縮熱をもつ。水分供給要素は、液相状または気相状の水分をボディの流路を流れる気流に供給する。気流に供給された水分は、気流の圧縮熱により気化が進行し、気流の湿度が高められる。即ち、気流は加湿される。

水分供給要素としては、給水可能な孔でも良いし、給水可能な多数の細孔を有する多孔質体でも良いし、要するに、液相状または気相状の水分をボディの流路に供給できるものであれば良い。なお、水分供給要素の水分出口としては、インペラの吸気側に形成されていても良い。水分供給要素の水分出口としては、インペラのインペラ羽根の背面側に形成されていても良い。水分供給要素の水分出口としては、インペラの外周側に形成されていても良い。

（２）第２発明に係るターボ圧縮機によれば、上記した第１発明において、水分供給要素の水分出口の中心は、インペラの外周部よりもインペラの径方向の外側に配置されていることを特徴とする。この場合には、水分供給要素の水分出口の中心は、インペラの外周部よりもインペラの径方向の外側に配置されている。従って、水分供給要素の水分出口から液相または気相の水分が吐出されるとき、液相または気相の水分は、インペラに当たりにくくなる。このため、高速で回転しているインペラの回転バランスを過剰に損なうことが抑制される。よって、インペラの回転が良好に維持される。ここで、水分供給要素の水分出口は、液相または気相の水分がインペラに全く当たらない位置に配置されていることが好ましいが、少しの水分であれば、インペラに当たっても良いように、水分供給要素の水分出口の位置を配置しても良い。ディフューザ通路がボディに設けられている場合には、水分供給要素の水分出口は、ディフューザ通路の入口または入口付近に対面していることが好ましい。ディフューザ通路の入口は低圧化され易いため、水分の吸い込み性が向上するためである。なお、ディフューザ通路の入口付近とは、入口の流路径の１０倍以内または５倍以内の領域を意味することができる。

（３）第３発明に係るターボ圧縮機によれば、上記した発明において、水分供給要素に水分を供給する水分出口をもつ水分供給源が設けられており、水分供給源は、インペラの回転に伴い発生する気流の圧力により水分供給要素に水分を供給することを特徴とする。この場合、インペラで発生する気流の圧力を利用して水収容室内の水を水分供給要素に搬送させる。このため、ポンプ等の搬送源が廃止または簡素化される。

上記した水分供給源は、水分を収容するための水収容室と、水収容室と水分供給要素とを連通させる連通路と、ボディの吐出口から吐出される気流の圧力を収容室内の水分にかけ、水収容室内の水分を連通路を介して水分供給要素に供給する圧力伝達通路とを備えていることが好ましい。この場合、圧力伝達通路は、ボディの吐出口から吐出される高圧の気流の圧力を、水収容室内の水分に作用させる。これにより水収容室内の水分を連通路を介して水分供給要素に供給する。この場合、インペラで発生する気流の圧力を利用して水収容室内の水を連通路を介して水分供給要素に搬送させるため、ポンプ等の搬送源が廃止または簡素化される。

（４）第４発明に係る燃料電池システムは、カソードおよびアノードをもつ燃料電池と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、燃料電池のアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段とを具備する燃料電池システムにおいて、カソードガス供給手段は、上記した発明に係るターボ圧縮機を備えていることを特徴とする。

インペラの回転に伴い発生した高圧の気流は、ボディの流路を流れる。インペラの回転に伴い発生する高圧の気流は圧縮熱をもつ。ボディに形成されている水分供給要素は、液相状または気相状の水分をボディの流路を流れる気流に供給する。気流に供給された水分は、気流の圧縮熱により気化が進行し、気流の湿度が高められる。即ち、カソードガスとなる気流は加湿される。上記した水分供給要素としては、給水可能な孔でも良いし、多数の細孔を有する多孔質体でも良いし、要するに、液相状または気相状の水分をボディの流路に供給できるものであれば良い。

（５）各本発明によれば、水分供給要素の水分出口としては、インペラのうちインペラ羽根の吸引側に形成されている形態を採用できる。インペラのうちインペラ羽根の吸引側は、インペラの背面側に比較して気流の速度が速い。このため、ベンチェリ効果による吸込力を利用して、水分供給要素の水分出口から水分を流路に引き込み易い効果を期待できる。

また水分出口は、インペラのうちインペラ羽根の背面側に形成されている形態を採用できる。インペラのうちインペラ羽根の背面側ではインペラ羽根側よりも静圧が低い。このため、インペラ羽根の背面側における低い静圧を利用して、水分供給要素の水分出口から水分を流路に引き込み易い効果を期待できる。

また水分供給要素の水分出口は、インペラの外周部に対向する側に形成されている形態を採用できる。この場合、インペラの外周部は低圧化されるため、水分供給要素の水分出口から水分を流路に引き込み易い効果を期待できる。

更に、水分供給要素の水分出口から水分を吐出させる水分供給源が設けられている形態を採用できる。水分供給源は、インペラの回転に伴い発生する気流の圧力を利用して、水分供給要素の水分出口から水分を吐出させる形態を採用できる。この場合、水を水分供給要素の水分入口に搬送させるポンプを廃止また簡素化できる。

ボディは、インペラの回転に伴い気流を吐出させる吐出口を備えており、水分供給源は、水分を収容するための水収容室と、水収容室と水分供給要素とを連通させる連通路とを備えており、吐出口から吐出される気流の圧力を収容室内の水に印加し、水収容室内の水を連通路を介して水分供給要素の水分出口から吐出させる圧力伝達通路とを備えている形態を採用できる。

本発明によれば、加湿用途に使用することができるターボ圧縮機、および、ターボ圧縮機を装備する燃料電池システムを提供することができる。本発明によれば、容積や圧力損失が低減できるターボ圧縮機を提供することができる。

更に、水分供給要素の水分出口の中心は、インペラの外周部よりもインペラの径方向の外側に配置されている場合には、インペラの回転バランスを損なうおそれを低減させるのに有利なターボ圧縮機、および、ターボ圧縮機を装備する燃料電池システムを提供することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１を参照して説明する。ターボ圧縮機１は、例えば燃料電池システム、産業機器、車両、流体機器等に適用できる。図１に示すように、ターボ圧縮機１は、回転に伴い高圧の気流を生成するインペラ羽根３をもつインペラ２と、インペラ２を回転可能に保持するボディ４と、ボディ４に設けられインペラ２を回転させる回転力発生部５とをもつ。

図１に示すように、ボディ４は金属または硬質樹脂等の材料で形成されており、気体が流れる流路をもつ。ボディ４は、主ボディ４０と、主ボディ４０に取り付けられたスクロール部４１と、主ボディ４０に取り付けられ主ボディ４０を閉鎖するカバー４２とを有する。ボディ４の主ボディ４０は、モータ室４４と、キャリア６０により保持された軸受６１と、軸受６１よりもインペラ２側に配置された筒形状をなすブッシュ６２とをもつ。インペラ２には横軸型の駆動軸７が取付具２ｅにより取り付けられている。

図１に示すように、駆動軸７は、これの軸芯Ｐｘが水分平方向に沿っている横軸型の駆動軸本体７０と、駆動軸本体７０と共に回転するように駆動軸本体７０の外周面に係合して設けられた円筒形状をなすスペーサとして機能できる横軸型の回転可能な筒部７２とを備えている。筒部７２は、遠心方向に延設されたリング状の鍔部７３を備えている。鍔部７３は、遠心力により潤滑剤を遠心方向に飛散させるフリンジャとも呼ばれる。鍔部７３は、邪魔板部材として機能するバッフルプレート７４に対面している。バッフルプレート７４は、軸受６１が潤滑剤で潤滑されているとき、潤滑剤がインペラ２側に移動することを抑える部材である。

駆動軸７の回転により筒部７２が回転すると、鍔部７３は遠心方向に向かう遠心力を発生させる。鍔部７３が発生させる遠心力により、潤滑剤を駆動軸７の遠心方向に沿って遠心方向に飛散させることができる。軸受６１は、駆動軸７の軸長方向において間隔を隔てて複数個配置されている。従って駆動軸７の同軸性が良好に維持される。筒部７２の外周面とブッシュ６２との間には、第１シール７５および第２シール７６が介在している。第１シール７５および第２シール７６は、インペラ２側に潤滑剤の進入を抑制する。第１シール７５はインペラ２に近い側に配置されている。第２シール７６はインペラ２に遠い側に配置されている。

図１に示すように、回転力発生部５は、ボディ４の主ボディ４０のモータ室４４に配置されている。回転力発生部５は、駆動軸７の軸長方向の後端に設けられたロータ部５０と、主ボディ４０に固定されたリング状のステータ５１と、ステータ５１に巻回されたステータコイル部５２とを備えている。ロータ部５０は複数個の永久磁石をもつ。ステータコイル部５２は、通電により駆動軸の軸芯Ｐｘの回りで回転する回転磁界を発生させ、インペラ２を駆動軸７の軸芯Ｐｘ回りで回転させる。

ボディ４のスクロール部４１は、インペラ２を収容するロータ収容室４５と、渦巻き状をなすスクロール室４３と、スクロール室４３の下流に設けられた吐出口４６と、ロータ収容室４５とスクロール室４３とを連通させるディフューザ通路４７とをもつ。ディフューザ通路４７は、インペラ２の径外方向に向けて延設されている。ディフューザ通路４７は、ロータ収容室４５に連通する入口４７ｉと、スクロール室４３に連通する出口４７ｐとをもつ。ディフューザ通路４７において、入口４７ｉから出口４７ｐに向かうにつれて気流の静圧が次第に増加する。従って、ディフューザ通路４７の入口４７ｉでは、ディフューザ通路４７の出口４７ｐよりも静圧は低い。スクロール部４１の吐出口４６は、インペラ２の回転に伴い発生する気流を下流に向けて吐出する。

本実施形態によれば、図１に示すように、ターボ圧縮機１の流路は、ロータ収容室４５と、ロータ収容室４５に連通するディフューザ通路４７と、ディフューザ通路４７の下流に設けられたスクロール室４３と、スクロール室４３の下流の吐出口４６とで形成されている。ここで、運転時において、吐出口４６の静圧をＰｏとし、インペラ２を収容するロータ収容室４５の静圧をＰｓとし、インペラ２の外周部側（ディフューザ通路４７の入口４７ｉ側）の静圧をＰｉとすると、運転時には、Ｐｏ＞Ｐｉ＞Ｐｓとされている。

図１に示すように、ボディ４のスクロール部４１には、水分供給要素として機能する通路状の水分供給孔８が形成されている。水分供給孔８は、インペラ２の軸長方向に沿って延設されており、つまり、軸芯Ｐｘに対して平行な方向に沿って延設されている。水分供給孔８は、ディフューザ通路４７の入口４７ｉまたは入口４７ｉ付近に対面する水分入口８０と、ディフューザ通路４７に対面する水分出口８１と、水分入口８０および水分出口８１を連通する通路８２とを有する。水分供給孔８の水分出口８１は、インペラ２の吸気側に設けられている。図１に示すように、水分出口８１の中心ＣＡは、インペラ２の外周部２ｐよりもインペラ２の径方向（矢印Ｄ方向）の外側に配置されている。このため、水分供給孔８の水分出口８１から液相または気相の水分が吐出されるとき、水分はインペラ２に当たりにくくなる。なお、仮に水分がインペラ２に触れる衝突するときには、衝突による水分の破砕効果を期待できる。

使用時には、回転力発生部５のステータコイル部５２に通電される。すると、軸芯Ｐｘ回りを回転する回転磁界がステータコイル部５２に発生する。これにより駆動軸７がこれの軸芯Ｐｘ回りで回転する。これより駆動軸７に取り付けられているインペラ２が回転し、ロータ収容室４５から吸い込んだ気体を圧縮させつつ搬送する。そしてインペラ２により生成される気流は、ディフューザ通路４７の入口４７ｉからディフューザ通路４７の出口４７ｐに至り、更に、スクロール室４３に流れ、吐出口４６から高圧の気流として吐出される。インペラ２の回転速度は、例えば、１０００〜１２万ｒｐｍ程度、１万〜１０万ｒｐｍ程度とすることができる。但しこれに限定されるものではない。インペラ２は、流体（例えば空気等の気体）を圧縮させつつ下流側に搬送させる。

本実施形態によれば、インペラ２が回転しているとき、水分供給源２００の水分が、水分供給孔８の水分出口８１から、気流が流れる流路、殊に、流路のうちインペラ２の外周部側の流路部分、具体的には、ディフューザ通路４７の入口４７ｉ側に供給される。これにより気流が加湿される。ここで、インペラ２の回転に伴い発生する高圧の気流は圧縮熱をもつ。即ち、インペラ２の回転に伴い高温高圧の気流が発生する。気流の圧縮熱により水分の気化が進行し、気流の湿度が高められ、気流に含まれる水分量が増加し、気流が加湿される。

上記したように水分供給孔８から流路に供給された水分は、気流の圧縮熱により加熱されて気化が進行する。よって、気流の湿度が効果的に高められ、気流が加湿される。気流に含まれる水分が液相状であるときであっても、液相状の水分がディフューザ通路４７の壁面、スクロール室４３の壁面に接触するため、水分の破砕化、水分の蒸気化が効果的に進行し、気流に含まれる水分量を効率よく高めるのに有利である。このように加湿された気流はスクロール室４３を流れ、吐出口４６から吐出される。気流がスクロール室４３を旋回するため、仮に、気流に含まれている水分がサイズの大きな液相状であるときであっても、旋回衝突による破砕効果を期待できる。

本実施形態によれば、図１に示すように、水分供給孔８の水分出口８１の中心ＣＡは、インペラ２の外周部２ｐよりもインペラ２の径方向（矢印Ｄ方向）の外側に配置されている。水分供給孔８の水分出口８１から液相または気相の水分が吐出されるとき、水分はインペラ２に直接当たりにくくなる。このため、インペラ２が高速（例えば１万〜１０万ｒｐｍ）で回転しているときであっても、インペラ２の回転バランスを過剰に損なうことが抑制される。故に、インペラ２の回転が良好に維持され、インペラ２による気流生成能力が維持される。

本実施形態によれば、図１に示すように、水分供給孔８の水分出口８１の中心ＣＡは、ディフューザ通路４７の入口４７ｉ付近に配置されている。ディフューザ通路４７の入口４７ｉ付近は、流路において圧力が低い。このため、水分供給孔８の水分出口８１から効果的に水分を、流路であるディフューザ通路４７にこれの入口４７ｉから効率よく吸い込むことができる。殊に、図１に示すように、水分供給孔８の水分出口８１は、インペラ２のうちインペラ羽根３側に対向する側に形成されている。ここで、インペラ２のうちインペラ羽根３側に対向する側は、インペラ２の背面２ｒ側に比較して、気流の速度が速く動圧が高いので、ベンチェリ効果による吸込力を利用して、水分供給孔８の水分出口８１から水分を引き込み易く、流速が速いことによる水分の微粒化が促進され、蒸発し易くなり、加湿効果を高めるのに有利となる。

（実施形態２）
図２および図３は、燃料電池システムに適用されている実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図３に示すように、燃料電池システムは、イオン伝導性をもつ高分子系または無機系の膜９０を挟持するカソード９１およびアノード９２をもつ燃料電池９と、燃料電池９のカソード９１にカソードガスをカソードガス供給通路９３を介して供給するカソードガス供給手段としてのターボ圧縮機１と、燃料電池９のアノード９２にアノードガス（例えば水素ガス、水素含有ガス）をアノードガス供給通路９５を介して供給するアノードガス供給手段９６とを備えている。カソードガス供給通路９３はターボ圧縮機１の吐出口４６と燃料電池９のカソード９１の入口９１ｉとを連通している。

燃料電池システムは、図２に示すように、発電反応後のカソードオフガスを燃料電池９のカソード９１の出口９１ｐから排出するカソードオフガス通路９７と、発電反応後のアノードオフガスを燃料電池９のアノード９２の出口９２ｐから排出するアノードオフガス通路９８とを備えている。

図２に示すように、カソードオフガス通路９７には、凝縮水を生成する凝縮器９９が設けられている。凝縮器９９は、燃料電池９のカソード９１から排出された発電反応後のカソードオフガスを冷却させることにより凝縮させて凝縮水を生成するものである。

図２に示すように、カソードオフガス通路９７には凝縮器９９および第１バルブ１０１を介して水分供給源２００が設けられている。水分供給源２００はターボ圧縮機１に水分を供給するものである。水分供給源２００は、水分を収容するための水収容室２０１をもつ水容器として機能する水タンク２０２と、水収容室２０１とターボ圧縮機１の水分供給孔８の水分入口８０とを連通させる連通路２０３と、ターボ圧縮機１で生成された圧力を作用させる圧力伝達通路２０４とを備えている。圧力伝達通路２０４には、第２連通手段としての第２バルブ１０２（第２開閉手段）が設けられている。連通路２０３には第３連通手段としての第３バルブ１０３（第３開閉手段）が設けられている。なお、図２に示すように、重力方向の下方に向けて、燃料電池９，凝縮器９９、第１バルブ１０１、タンク２０２、第３バルブ１０３、ターボ圧縮機１のスクロール部４１の水分供給孔８が、この順に配置されている。この場合、水分の移動として重力を利用することができる。

第１バルブ１０１、第２バルブ１０２、第３バルブ１０３はノーマルクローズのバルブであり、通常時には閉じており、通電時に開放されるタイプとされている。図２に示すように、圧力伝達通路２０４は、カソードガス供給通路９３の分岐部９３ｃと、タンク２０２の水収容室２０１に収容されている水の水面２０１ｗの上方の空間２０１ａとを連通させる。第２バルブ１０２が開放しているとき、圧力伝達通路２０４は、ボディ４のスクロール室４３の吐出口４６から吐出される高圧の気流の圧力をカソードガス供給通路９３を介して水収容室２０１内の水に印加させる。これにより水収容室２０１内の水を連通路２０３を介して水分供給孔８に供給する。運転時において、吐出口４６の静圧をＰｏとし、インペラ２を収容するロータ収容室４５の静圧をＰｓとし、インペラ２の外周部側（ディフューザ通路４７の入口４７ｉ側）の静圧をＰｉとすると、運転時には、前述したようにＰｏ＞Ｐｉ＞Ｐｓとされている。圧力伝達通路２０４等における圧損を無視すれば、基本的には、差圧ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｏ−Ｐｉ）が水収容室２０１内の水を水分供給孔８に供給する駆動力となる。

燃料電池システムの発電運転時には、回転力発生部５のステータコイル部５２に通電されると、軸芯Ｐｘ回りを回転する回転磁界が発生する。これにより駆動軸７がこれの軸芯Ｐｘ回りで回転する。これよりインペラ２が軸芯Ｐｘ回りで回転する。インペラ２により生成される気流は、ディフューザ通路４７の入口４７ｉからディフューザ通路４７の出口４７ｐに至り、更に、スクロール室４３に流れ、吐出口４６から高圧の気流（空気気流）はカソードガスとして吐出される。更に、高圧の気流は、カソードガス供給通路９３を流れ、燃料電池９のカソード９１にこれの入口９１ｉからカソードガスとして供給される。

アノードガス供給手段９６により供給されるアノードガス（例えば水素ガス、水素含有ガス）は、アノードガス供給通路９５を流れ、燃料電池９のアノード９２の入口９２ｉに供給される。これにより燃料電池９で発電運転が行われる。発電反応により水がカソード９１において生成される。故に、燃料電池９のカソード９１から排出されるカソードオフガスは高い湿度をもつ。燃料電池９から排出された高い湿度をもつカソードオフガスが凝縮器９９で冷却される。すると、カソードオフガスに含まれている水分が凝縮し、凝縮水として凝縮器９９に収容される。ここで、凝縮器９９よりも重力方向下方の第１バルブ１０１が開放すれば、凝縮器９９内の凝縮水は重力により落下し、タンク２０２の水収容室２０１に収容される。水収容室２０１の水が不足すれば、水道等の補水源２１０から水を水収容室２０１に補充すれば良い。

本実施形態によれば、水収容室２０１の水をターボ圧縮機１の水分供給孔８に供給するとき、図略の制御装置は第２バルブ１０２および第３バルブ１０３を開放させる指令を出力する。第２バルブ１０２が開放されると、カソードガス供給通路９３のカソードガスの高い圧力は、圧力伝達通路２０４を介して水収容室２０１の空間２０１ａに供給され、水収容室２０１の水の水面２０１ｗを加圧する。ここで、第３バルブ１０３が開放されると、水収容室２０１の水は連通路２０３を介してターボ圧縮機１の水分供給孔８からボディ４の流路に供給される。ここで、具体的には、水収容室２０１の水の水面２０１ｗを加圧する圧力（カソードガス供給通路９３および圧力伝達通路２０４等の圧損を無視すれば、ターボ圧縮機１の吐出圧に対応する）と、ディフューザ通路４７の入口４７ｉの圧力との差圧に基づいて、水収容室２０１の水はターボ圧縮機１の水分供給孔８からボディ４の流路に供給される。これにより気流が加湿される。

インペラ２の回転に伴い発生する高圧の気流は、圧縮熱をもつ。インペラ２の回転条件にもよるが、気流の温度は例えば４０〜１８０℃となる。従って気流によりスクロール部４１も加熱されている。

水分供給孔８から流路に供給された水分は、気流の圧縮熱により加熱されて気化が進行する。このようにしてカソードガスを形成する気流は加湿される。気流に含まれる水分が液相状であるときであっても、液相状の水分がディフューザ通路４７の壁面、スクロール室４３の壁面に接触するため加熱され、水分の蒸気化が効率よく進行する。この場合、気流の加湿度を高めるのに有利である。

このように高い湿度となった気流で構成されているカソードガスがスクロール室４３を経て吐出口４６から吐出される。カソードガスは、カソードガス供給通路９３から燃料電池９のカソード９１にこれの入口９１ｉから供給される。これにより燃料電池９に内蔵されている膜９０の乾燥が抑制される。このため膜９０のイオン伝導性が良好に確保され、燃料電池９の発電効率が向上する。

図３に示すように、水分供給孔８の水分出口８１の中心ＣＡは、インペラ２の外周部２ｐよりもインペラ２の径方向（矢印Ｄ方向）の外側に配置されている。従って、水分供給孔８の水分出口８１から液相または気相の水分が吐出されるとき、水分はインペラ２に当たりにくくなる。このため、高速で回転しているインペラ２の回転バランスを過剰に損なうことが抑制される。故に、インペラ２が高速回転しているときであっても、インペラ２の回転が良好に維持され、振動等が低減される。水分供給孔８の水分出口８１は、液相または気相の水分がインペラ２に全く当たらない位置に配置されていることが好ましいが、少しの水分であれば、インペラ２に当たっても良いように、水分供給孔８の水分出口８１の位置を配置しても良い。

本実施形態によれば、図３に示すように、水分供給孔８の水分出口８１の中心ＣＡは、ディフューザ通路４７の入口４７ｉ付近に配置されている。前述したように、ディフューザ通路４７の入口４７ｉ付近は流路のうち圧力が低い。このため、水分供給孔８の水分出口８１から効果的に水分を、ディフューザ通路４７に入口４７ｉからディフューザ通路４７に吸い込むことができる。殊に、図３に示すように、水分出口８１は、インペラ２のうちインペラ羽根３の吸引側２ｍに形成されている。ここで、インペラ２のうちインペラ羽根３の吸引側２ｍは、インペラ２の背面２ｒ側に比較して、気流の速度が速く動圧が高いので、ベンチェリ効果による吸引作用を利用して水分出口８１から水分をディフューザ通路４７に引き込み易い効果を期待できる。ディフューザ通路４７に進入した水分は、ディフューザ通路４７を区画する壁面に触れて暖められるため、水分の蒸気化が進行する。

なお、本実施形態によれば、寒冷地等においては、ターボ圧縮機１の停止中に水収容室２０１の水分が凍結するおそれがある。そこで、燃料電池システムを停止するにあたり、燃料電池への燃料の供給を停止すると共に、第１バルブ１０１を閉鎖し、第２バルブ１０２と第３バルブ１０３とを開放した状態でターボ圧縮機１のインペラ２を回転させる。これにより水収容室２０１の水を、ターボ圧縮機１の回転駆動により吸引して、更に、その水をカソードガス供給通路９３を介して、燃料電池９のカソード９１に送り、更に、燃料電池９のカソード９１の出口９１ｐを介してカソードオフガス通路９７に送り、カソードオフガス通路９７から外方に追い出す。これにより水収容室２０１の水は、ターボ圧縮機１の回転により吸引されてカソードオフガス通路９７から外方に追い出され、空になる。その後、ターボ圧縮機１を回転させつつ第１バルブ１０１を開放する。これにより仮に第１バルブ１０１に水が残留していたとしても、その水は、ターボ圧縮機１に吸引されて、前述同様にカソードオフガス通路９７から外方に追い出される。このように第１バルブ１０１、第２バルブ１０２および第３バルブ１０３、水収容室２０１、凝縮器９９および各機器と導通する配管内の水を効果的に排水することができる。このため凍結が抑えられる。

（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。以下、異なる部分を中心に説明する。図４に示すように、水分供給孔８Ｂはインペラ２の軸芯方向に沿っており、つまり軸芯Ｐｘに沿った向きとされている。水分供給孔８Ｂは水分入口８０Ｂと水分出口８１Ｂと通路８２Ｂとをもつ。水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂは、インペラ２のうちインペラ羽根３の背面２ｒ側に対向する位置に形成されている。インペラ２においては、インペラ羽根３の背面２ｒ側では、インペラ羽根３側よりも静圧が低い。このため、低い静圧を利用して水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂからディフューザ通路４７の入口４７ｉに水分を引き込み易い効果を期待できる。

図４に示すように、水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂは、ディフューザ通路４７の入口４７ｉに対向して接近しつつ、インペラ２の外周部２ｐに対面している。

図４に示すように、水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂの中心ＣＡは、インペラ２の外周部２ｐよりも、インペラ２の径方向（矢印Ｄ方向）の外側に配置されている。このため、水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂから液相または気相の水分が吐出されるとき、水分はインペラ２に当たりにくくなる。このため、高速で回転しているインペラ２の回転バランスを過剰に損なうことが抑制される。故に、インペラ２が高速回転しているときであっても、インペラ２の回転が良好に維持される。水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂは、供給される水分がインペラ２に全く当たらない位置に配置されていることが好ましいが、少しの水分であれば、インペラ２に当たっても良いように、水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂの位置が配置されていても良い。

（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図５に示すように、水分供給孔８Ｃは水分入口８０Ｃと水分出口８１Ｃと通路８２Ｃとをもつ。水分供給孔８Ｃの水分出口８１Ｃは、インペラ２の外周部２ｐ側に対向するように、主ボディ４０においてインペラ２の背面２ｒ側に形成されている。水分供給孔８Ｃはインペラ２の径方向に沿って延設されており、水分供給源２００の連通路２０３に連通する。

本実施形態においても、図５に示すように、水分供給孔８Ｃの水分出口８１Ｃの中心ＣＡは、インペラ２の外周部２ｐよりもインペラ２の径方向（矢印Ｄ方向）の外側に配置されている。水分供給孔８Ｃの水分出口８１Ｃから液相または気相の水分が吐出されると、水分は水分出口８１Ｃからディフューザ通路４７の入口４７ｉに至り、更にディフューザ通路４７の出口４７ｐに至り、スクロール室４３に流れ、吐出口４６から高圧の気流はカソードガス（空気等の酸素含有ガス）として吐出される。このようにインペラ２で生成される気流で構成されるカソードガスが加湿される。本実施形態においても、図５に示すように、水分供給孔８Ｃの水分出口８１Ｃの中心ＣＡは、ディフューザ通路４７のうち低圧側の入口４７ｉ付近に配置されている。この結果、水分供給孔８Ｃの水分出口８１Ｃから効果的に水分を吸い込むことができる。

（実施形態５）
図６は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図６に示すように、ボディ４には水分供給要素Ｄが設けられている。水分供給要素８Ｄは、吸水分可能な多数の細孔を備える多孔質体で形成されている。多孔質体は例えば焼結体、スポンジ、吸水分樹脂等で形成できる。水分供給要素８Ｄには連通路２０３から水分が供給される。水分供給要素８Ｄに含まれている水分は、ディフューザ通路４７にこれの入口４７ｉから吸引される。水分供給要素８Ｄは、インペラ２の外周部２ｐ側に対向するようにボディ４のスクロール部４１に形成されている。

（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図７に示すように、カソードオフガス通路９７側においては凝縮器が廃止されている。更に、水収容室２０１をもつタンク２０２に代えて、所定の空間容積を有する水収容室２０１ｘをもつ配管２０９とされている。配管２０９の水収容室２０１ｘに水分が溜められる。第２バルブ１０２および第３バルブ１０３が開放されると、配管２０９の水収容室２０１ｘの水は、上記した差圧に基づいて、連通路２０３を介して水分供給孔８に供給される。

（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図８に示すように、水分供給源２００は、水分を収容するための水収容室２０１をもつ水容器として機能するタンク２０２と、水収容室２０１とターボ圧縮機１の水分供給孔８の水分入口８０とを連通させる連通路２０３と、ターボ圧縮機１で生成された圧力を作用させる圧力伝達通路２０４とを備えている。圧力伝達通路２０４には、第２連通手段としての第２絞り４０２が設けられている。連通路２０３には第３連通手段としての第３絞り４０３が設けられている。

圧力伝達通路２０４は、ボディ４のスクロール室４３の吐出口４６から吐出される高圧の気流の圧力を、カソードガス供給通路９３および第２絞り４０２を介して水収容室２０１内の水に印加させる。これにより水収容室２０１内の水は、連通路２０３および第３絞り４０３を介して水分供給孔８に供給される。第３絞り４０３の絞り作用により、水収容室２０１から水分供給孔８に供給される水の流量は制限される。従って、短時間に多量の水分が水収容室２０１から水分供給孔８に供給されることが抑えられる。第２絞り４０２および第３絞り４０３としては、固定絞りでも可変絞りでも良い。可変絞りであれば、燃料電池システムの発電条件等に応じて、水収容室２０１から水分供給孔８に供給される単位時間あたりの水分の流量を調整できる。

（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図８に示すように、水分供給源２００は、水分を収容するための水収容室２０１をもつ水容器として機能するタンク２０２と、水収容室２０１とターボ圧縮機１の水分供給孔８の水分入口８０とを連通させる連通路２０３とを備えている。タンク２０２の底面はターボ圧縮機１のスクロール部４１９よりも距離ＨＡ上方に配置されている。これによりターボ圧縮機１に対するタンク２０２の水収容室２０１の水頭圧は、増加されている。第３バルブ１０３が開放すると、タンク２０２の水収容室２０１に収容されている水の水頭圧に基づいて、水収容室２０１の水を水分供給孔８に重力により供給することができる。水収容室２０１の水を水分供給孔８に供給するにあたり、重力の他に、タービン２による吸引作用も寄与している。

（実施形態９）
図１０は実施形態９を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図１０に示すように、ボディ４のスクロール部４１には、水分供給要素として機能する通路状の水分供給孔８Ｂが形成されている。水分供給孔８Ｂは、入口側の水分入口８０Ｂ、出口側の水分出口８１Ｂと、水分入口８０Ｂおよび水分出口８１Ｂを連通する通路８２Ｂとを有する。図１０に示すように、水分供給孔８Ｂの水分出口８１Ｂは、インペラ２のうちインペラ羽根３の背面２ｒ側に対向する位置に形成されている。ボディ４の主ボディ４０には多孔質体８Ｍが設けられている。多孔質体８Ｍは、水分供給孔８Ｂの水分入口８０Ｂに連通して給水する多数の細孔を備えている。インペラ２のうちインペラ羽根３の背面２ｒ側では、インペラ２のインペラ羽根３側よりも静圧が低い。このため、低い静圧を利用して水分出口８１Ｂから水分をディフューザ通路４７の入口４７ｉに引き込み易い効果を期待できる。

（実施形態１０）
図１１は実施形態１０を示す。本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果をもつ。図１１に示すように、ボディ４のスクロール部４１には、水分供給要素として機能する通路状の水分供給孔８Ｅが形成されている。水分供給孔８Ｅは、水分入口８０Ｅ、水分出口８１Ｅと、水分入口８０Ｅおよび水分出口８１Ｅを連通する通路８２Ｅとを有する。図１１に示すように、水分入口８０Ｅから水分出口８１Ｅに向かうにつれて、インペラ２および駆動軸７の軸芯Ｐｘから離間するように、軸芯Ｐｘに対して水分供給孔８Ｅは傾斜されている。この場合、水分出口８１Ｅから吐出される水分がインペラ２に当たりにくくなり、インペラ２の回転バランスを維持させ易い。

（その他）
上記した実施形態によれば、回転力発生部５は、駆動軸７に設けられたロータ部５０とステータコイル部５２とを備えているが、これに限らず、燃料を燃焼させて回転駆動する内燃機関（例えば車両搭載の内燃機関でも良い）や外燃機関等の駆動源に接続されている伝達軸を回転力発生部として用いても良い。燃焼排ガス等によるタービンを回転力発生部として用いても良い。水分供給孔８の出口側の水分出口８１ｆは、ディフューザ通路４７の入口４７ｉではなく、条件によっては、ディフューザ通路４７の出口４７ｐ側に形成されていても良く、更に別の流路部分に形成されていても良い。カソードガスを燃料電池に供給するためにターボ圧縮機１を用いているが、これに限らず、アノードガスを燃料電池に供給するためにターボ圧縮機を用いても良い。

上記した実施形態２等は燃料電池システムに適用しているが、他の流体機器などのシステムに適用しても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。ある実施形態に特有の構造は他の実施形態にも適用できる。

本発明は燃料電池システム等の流体系システムに使用されるターボ圧縮機に適用できる。

実施形態１に係り、ターボ圧縮機の断面図である。 実施形態２に係り、ターボ圧縮機の装備する燃料電池システムのシステム図である。 実施形態２に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。 実施形態３に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。 実施形態４に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。 実施形態５に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。 実施形態６に係り、ターボ圧縮機の装備する燃料電池システムのシステム図である。 実施形態７に係り、ターボ圧縮機の装備する燃料電池システムのシステム図である。 実施形態８に係り、ターボ圧縮機の装備する燃料電池システムのシステム図である。 実施形態９に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。 実施形態１０に係り、ターボ圧縮機の要部の断面図である。

符号の説明

１はターボ圧縮機、２はインペラ、３はインペラ羽根、４はボディ、４１はスクロール部、４３はスクロール室、４４はモータ室、４６は吐出口、４７はディフューザ通路、４７ｉはディフューザ通路の入口、５は回転力発生部、５０はロータ部、５１はステータ部、５２はステータコイル部、７は駆動軸、８は水分供給孔（水分供給要素）、８０は水分入口、８１は水分出口、８２は通路、９３はカソードガス供給通路、９６はアノードガス供給手段を示す。

Claims (8)

1. インペラ羽根を有するインペラと、前記インペラを回転可能に保持すると共に前記インペラの回転に伴い発生する気流が流れる流路を有するボディと、前記ボディに設けられ前記インペラを回転させる回転力発生部とを具備するターボ圧縮機において、
   前記ボディは、前記流路に開口し液相状または気相状の水分を前記流路に供給する水分出口をもつ水分供給要素を備えていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 請求項１において、前記水分供給要素の前記水分出口の中心は、前記インペラの外周部よりも前記インペラの径方向の外側に配置されていることを特徴とするターボ圧縮機。
3. 請求項１または２において、前記水分供給要素の前記水分出口は、前記インペラの吸気側に形成されていることを特徴とするターボ圧縮機。
4. 請求項１または２において、前記水分供給要素の前記水分出口は、前記インペラのうち前記インペラ羽根の背面側に形成されていることを特徴とするターボ圧縮機。
5. 請求項１または２において、前記水分供給要素の前記水分出口は、前記インペラの外周部に対向する側に形成されていることを特徴とするターボ圧縮機。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、前記水分供給要素に水分を供給する水分供給源が設けられており、前記水分供給源は、前記インペラの回転に伴い発生する気流の圧力により前記水分供給要素に水分を供給することを特徴とするターボ圧縮機。
7. 請求項６において、前記ボディは、前記インペラの回転に伴い気流を吐出させる吐出口を備えており、
   前記水分供給源は、水を収容するための水収容室と、前記水収容室と前記水分供給要素とを連通させる連通路と、前記ボディの前記吐出口から吐出される気流の圧力を前記収容室内の水に印加し、前記水収容室内の水を前記連通路を介して前記水分供給要素に供給する圧力伝達通路とを備えていることを特徴とするターボ圧縮機。
8. カソードおよびアノードをもつ燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池の前記アノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段とを具備する燃料電池システムにおいて、
   前記カソードガス供給手段は、請求項１〜７のうちの一項に係るターボ圧縮機を備えていることを特徴とする燃料電池システム。

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