JP2013135597A - 発電機能付き膨張機及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造で発電効率を高めることのできる発電機能付き膨張機を提供する。
【解決手段】この発電機能付き膨張機８には、膨張室Ｄ内に水素が流入されることで旋回スクロール１５が回転軸２２を中心に回転し、旋回スクロール１５の回転に基づき膨張室Ｄ内の水素を減圧膨張させる膨張部１０が設けられている。また、キャン１２の内部に収容されるロータ２１と、キャン１２の外面とケース２５とにより区画形成されるステータ室Ｂに収容されるステータ２３とを有し、回転軸２２の回転に基づきロータ２１が回転することで発電を行う発電部２０が設けられている。ここでは、膨張室Ｄで減圧膨張された水素を発電部２０のステータ室Ｂに導入する気体通路３１を設ける。また、発電部２０のケース２５には、ステータ室Ｂ内の水素を排出する排出口２５ｅ，２５ｆを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体を減圧膨張させるとともに、その膨張エネルギを利用して発電を行う発電機能付き膨張機、及び同発電機能付き膨張機を用いた燃料電池システムに関する。

電気自動車やハイブリッド車両では、動力源もしくは補助動力源として電動モータが用いられている。また近年、このような車両に搭載されている電動モータの電力源として、燃料電池を用いるようにした、いわゆる燃料電池車も一部実用化されている。そして従来、このような燃料電池車に搭載されている燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載のシステムが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、高圧水素タンクに貯蔵されている高圧の水素が膨張機を通じて減圧膨張された後、燃料電池のアノード電極に供給される。また、燃料電池のカソード電極には、エアコンプレッサを通じて圧縮された空気が供給される。そして、燃料電池では、空気に含まれる酸素と水素との化学反応を通じて電力が生成される。この燃料電池システムでは、燃料電池で生成される直流電力がトラクションインバータを介して交流電力に変換され、この変換された交流電力が電動モータに供給されることで車両が走行するようになっている。このような燃料電池車によれば、電力源となる燃料電池から排出される物質が水素と酸素との化学反応により生成される水のみとなるため、二酸化炭素を低減する上で有効となる。

一方、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、膨張機で高圧の水素を減圧膨張させる際に発生するエネルギを利用して発電機のロータを回転させるようにしている。これにより、発電機を通じて発電される電力を各種車載部品に供給することで、燃料電池車のエネルギ効率を高めることが可能となる。

特開２００３−２１７６４１号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、発電機のステータを冷却するための構造が設けられていないため、発電機が駆動に伴い熱を発してその温度が上昇すると、発電効率が低下するおそれがある。一方、このような熱対策として発電機に冷却構造を設けるとなると、発電機の構造が複雑化し、コストの増大を招くおそれがある。

なおこのような課題は、電気自動車に搭載される燃料電池システムに限らず、気体を減圧膨張させるとともに、その膨張エネルギを利用して発電を行う発電機能付き膨張機に共通する課題である。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構造で発電効率を高めることのできる発電機能付き膨張機、及び同発電機能付き膨張機を用いた燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転軸を中心に回転する回転部材と固定部材との間に形成される膨張室内に気体流路の上流側から気体が流入されることにより前記回転部材が前記回転軸を中心に回転し、同回転部材の回転に基づき前記膨張室内の気体を減圧膨張させる膨張部と、前記回転軸と一体となって回転するとともにキャンの内部に収容されるロータ、及び前記キャンの外面とその外周を覆うケースとにより区画形成されたステータ室に収容されるステータを有し、前記回転軸の回転に基づき前記ロータが回転することで発電を行う発電部と、前記膨張部で減圧膨張された気体を前記ステータ室に導入する第１の気体通路とを備え、前記ケースには、前記ステータ室内の気体を前記気体流路の下流側に排出する排出口が形成されてなることを要旨とする。

同構成によれば、膨張室で気体を減圧膨張させる際に膨張部の回転部材が回転軸を中心に回転すると、発電部のロータが回転するため、発電部で発電が行われる。これにより、膨張部で気体を減圧膨張させる際に発生する膨張エネルギを利用して発電を行うことが可能となる。また、膨張部で減圧膨張されることで温度の低下した気体が第１の気体通路を通じてステータ室に導入されるため、ステータを冷却することができる。これにより、別途の冷却構造を設けることなくステータを冷却することができるため、簡素な構造で発電部の発電効率を高めることが可能となる。

そしてこの場合、請求項２に記載の発明によるように、
・前記ケースには、前記ステータのコイルエンドに対応する位置に、前記膨張部で減圧膨張された気体を前記第１の気体通路を通じて前記ステータ室に導入する導入口が形成されてなる、
といった構成、あるいは、請求項３に記載の発明にようるように、
・前記ケースには、前記ステータのコイルエンドに対応する位置に、前記排出口が形成されてなる、
といった構成を採用することが有効である。これにより、膨張部で減圧膨張された気体が第１の気体通路を通じてステータ室内に導入されたとき、ステータのコイルエンド付近を気体が流れるため、特に発熱し易いコイルエンド付近を的確に冷却することができる。よって、発電部の発電効率を更に高めることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機において、前記ケースには、前記気体流路の上流側からの気体を前記キャンの内部に流入させる流入口が更に形成され、前記キャンの内部の気体を前記膨張室に導入する第２の気体通路を更に備えることを要旨とする。

発電機能付き膨張機として、発電部のロータがキャンの内部に収容された、いわゆるキャン構造を有している場合、ロータの回転に伴いキャンを直交する磁束が変化すると、キャンに渦電流が発生する。このような渦電流は、キャンの温度を上昇させるばかりでなく、発電部の温度を上昇させる要因となるため、発電効率の面からすると好ましくない。この点、上記構成によれば、気体流路の上流側からの気体がケースの流入口を通じてキャンの内部に流入されるため、キャンを冷却することができる。これにより、渦電流に起因するキャンの温度上昇を抑制することができるため、発電部の発電効率をより高めることが可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発電機能付き膨張機において、前記流入口を通じて前記キャンの内部に流入された気体の流れを前記キャンに向かう方向に指向させる気体通路を更に備えることを要旨とする。

同構成によれば、気体流路の上流側からの気体がキャンの内部に流入されると、気体通路により気体の流れがキャンに向かう方向に指向されるため、キャンの内面に沿って気体が流れる。これにより、キャンを的確に冷却することができるため、発電部の発電効率を更に高めることが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発電機能付き膨張機において、前記回転軸には、前記キャンの内部に位置する部位に開口部を有するとともに、同開口部から同回転軸の内部を通じて前記回転部材まで伸びるようにして第１の通路部が形成され、前記回転部材には、前記第１の通路部と前記膨張室とを連通するとともに、同膨張室に開口する部分が前記膨張部から前記キャンに向かう方向に指向された第２の通路部が形成され、前記第２の気体通路が、前記第１及び第２の通路部からなることを要旨とする。

上述のように、キャンの内部の気体を膨張室に導入するようにした場合、減圧前の気体が存在するキャンの内圧の方が膨張室の内圧よりも大きくなる。そして、キャンの内部と膨張室の内部とにこうした差圧が生じると、回転軸には、発電部から膨張部へ向かう方向の付勢力が働くため、膨張部の回転部材が発電部から膨張部に向かう方向に押圧される。この場合、回転部材が固定部材に対して相対変位し、回転部材と固定部材との間のシール性能が低下するおそれがある。この点、上記構成によれば、キャンの内部の気体が第２の気体通路を通じて膨張室に導入される際に、気体の流れ方向が膨張部からキャンに向かう方向に指向されるため、こうした気体の流れにより、膨張部の回転部材には膨張部からキャンに向かう方向の付勢力が働く。すなわち、回転部材には、膨張部から発電部に向かう方向の付勢力が働く。これにより、上記差圧に起因して回転軸に働く付勢力を抑制することができるため、膨張部におけるシール性能の低下を抑制することができる。よって、膨張部における膨張機能を確保することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機において、前記第１の気体通路には、減圧弁が設けられてなることを要旨とする。
同構成によれば、膨張部で減圧膨張された気体を減圧弁を通じて更に減圧させることができるため、ステータ室に低圧の気体を導入することができる。これにより、ケースの素材として、より耐圧強度の低い素材を用いることが可能となるため、ケースの軽量化、並びにケースに用いられる締結部材の小型化を図ることができる。

請求項８に記載の発明は、高圧水素タンクに貯蔵された高圧の水素を膨張機を通じて減圧膨張させるとともに、同減圧膨張された水素を燃料電池に供給することで発電を行う燃料電池システムにおいて、前記膨張機として、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機を用いることを要旨とする。

このような高圧水素タンク方式の燃料電池システムでは、高圧水素タンクから水素が排出される際にタンク内では水素が断熱膨張するため、低温の水素が高圧水素タンクから排出されることとなる。したがって、上記システムによるように、この燃料電池システムに用いられる膨張機として請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機を用いることとすれば、低温の水素がステータ室に導入されることとなるため、ステータをより的確に冷却することができる。また、請求項４〜６のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機では、更に、低温の水素がキャンの内部に導入されることとなるため、上述した渦電流に起因するキャンの温度上昇を抑制することもできる。よって、発電部の発電効率をより高めることが可能となる。

本発明にかかる発電機能付き膨張機、及び同発電機能付き膨張機を用いた燃料電池システムによれば、簡素な構造で発電効率を高めることができるようになる。

燃料電池車に搭載された燃料電池システムの概要を示すブロック図。 本発明にかかる発電機能付き膨張機の一実施形態についてその断面構造を示す断面図。 本発明にかかる発電機能付き膨張機の他の例についてその断面構造を示す断面図。 本発明にかかる発電機能付き膨張機の他の例についてその断面構造を示す断面図。 本発明にかかる発電機能付き膨張機の他の例についてその断面構造を示す断面図。

以下、本発明にかかる発電機能付き膨張機を、燃料電池車に搭載された燃料電池システムに用いられる膨張機に適用した一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態にかかる燃料電池システムの概要について説明する。

図１に示すように、この燃料電池システムは、電極触媒及び高分子膜からなるセルがセパレータを挟んで複数積層された構造からなる燃料電池スタック（個体高分子型燃料電池）１を備えている。燃料電池スタック１は、水素供給配管２を通じて水素が供給されるアノード電極、及び空気供給配管３を通じて空気が供給されるカソード電極を有している。燃料電池スタック１では、アノード電極に供給される水素、及びカソード電極に供給される空気に含まれる酸素とがセルを通じて化学反応をすることで直流電力が生成される。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で生成された直流電力がトラクションインバータ（図示略）を介して交流電力に変換され、この変換された交流電力が車両走行用の電動モータ（図示略）に供給されることで車両が走行するようになっている。

一方、空気供給配管３の途中には、その上流側に形成された開口部から取り込まれる車外の空気を圧縮するエアコンプレッサ５が設けられている。エアコンプレッサ５は、圧縮した空気を空気供給配管３を介して下流側の燃料電池スタック１に供給する。

また、水素供給配管２には、その上流側から下流側に向けて、高圧水素タンク６、流量調整バルブ７、及び発電機能付き膨張機８が順に設けられている。
このうち、発電機能付き膨張機８は、高圧水素タンク６から水素供給配管２を通じて流入される高圧の水素を膨張させることでその圧力を燃料電池スタック１に最適な圧力まで減圧させるとともに、この減圧された水素を水素供給配管２を介して燃料電池スタック１のアノード電極に供給する。また、発電機能付き膨張機８は、高圧の水素を減圧膨張させる際に発生する膨張エネルギを回収、利用して発電も行う。発電された電力は、例えばエアコンプレッサ５に供給されることでその駆動源として利用される。

また、この燃料電池システムでは、流量調整バルブ７を開閉させることで、高圧水素タンク６から発電機能付き膨張機８や燃料電池スタック１への水素の供給及びその遮断を切り替えることが可能となっている。

次に、図２を参照して、本実施形態にかかる発電機能付き膨張機８の構造について説明する。なお、図２では、発電機能付き膨張機８の内部における水素の流れを二点鎖線で図示している。

図２に示すように、この発電機能付き膨張機８は、高圧水素タンク６から水素供給配管２を介して供給される高圧の水素を減圧膨張する膨張部１０、及び水素を減圧膨張させる際に発生する膨張エネルギを利用して発電を行う発電部２０を備えている。本実施形態では、これら膨張部１０及び発電部２０が一体化されている。

このうち、発電部２０は、永久磁石からなるとともに回転軸２２を中心に回転するロータ２１、及び同ロータ２１を囲むようにして配置されるとともにコイル２４が巻回されたステータ２３を備えている。また、発電部２０は、膨張部１０側が開口された有底筒状のケース２５を備えており、このケース２５の内部にロータ２１及びステータ２３が収容されている。

ここで、ケース２５の膨張部１０側の開口部分は、膨張部１０の第１のケース１１により閉塞されている。また、第１のケース１１の発電部２０側の側面には、ロータ２１とステータ２３との間を仕切る円筒状のキャン（隔壁）１２が形成されている。これにより、キャン１２の内面と各ケース１１，２５により区画形成されるロータ室Ａにロータ２１が収容されている。また、キャン１２の外面と各ケース１１，２５とにより区画形成されるステータ室Ｂにステータ２３が収容されている。

また、回転軸２２の左端部は、軸受２６により回転可能に支持されている。軸受２６は、ケース２５の側壁２５ａの内面に固定された円筒状の軸受ホルダ２７の内部に挿入されて支持されている。なお、軸受２６とケース２５の側壁２５ａとの間には隙間Ｃが設けられている。また、回転軸２２の右端部は、第１のケース１１の中央部に形成された貫通孔１１ａに挿通されるとともに、同貫通孔１１ａに設けられた軸受２８により回転可能に支持されている。そしてこのように、回転軸２２の両端部が軸受２６，２８により回転可能に支持されることにより、ロータ２１が回転軸２２を中心に回転可能となっている。発電部２０では、ロータ２１が回転軸２２を中心に回転することにより、ステータ２３のコイル２４に付与される磁界が変化し、この磁界変化を通じて発電が行われる。

さらに、軸受ホルダ２７には、ロータ室Ａと隙間Ｃとを連通する貫通孔２７ａが形成されている。また、ケース２５の側壁２５ａには、高圧水素タンク６からの水素を水素供給配管２を介してキャン１２の内部に流入させる流入口２５ｂが形成されている。そして、流入口２５ｂを介してキャン１２の内部に流入された水素は、図中に二点鎖線で示すように、隙間Ｃから貫通孔２７ａへと流れることで、その流れ方向がキャン１２に向かう方向に指向され、キャン１２の内面に沿って流れる。このように、本実施形態では、流入口２５ｂを通じてキャン１２の内部に流入された水素の流れをキャン１２に向かう方向に指向させる気体通路が、隙間Ｃ及び貫通孔２７ａにより構成されている。

また、ケース２５においてステータ２３の外周を囲む部分には、膨張部１０で減圧膨張された水素を第１の気体通路３１を通じてステータ室Ｂに導入する一対の導入口２５ｃ，２５ｄが形成されている。なお、第１の気体通路３１は、適宜の配管などにより構成されており、その途中には、膨張部１０で減圧膨張された水素の圧力を燃料電池スタック１に供給するのに適した圧力まで更に低下させるための減圧弁３０が設けられている。また、ケース２５においてステータ２３の外周を囲む部分には、ステータ室Ｂ内に導入された水素を水素供給配管２を通じて下流側の燃料電池スタック１に排出する排出口２５ｅ，２５ｆが形成されている。これら導入口２５ｃ，２５ｄ及び排出口２５ｅ，２５ｆは、ケース２５においてステータ２３のコイルエンド２４ａに対向する位置に配置されている。これにより、導入口２５ｃ，２５ｄを介してステータ室Ｂに導入される水素は、ステータ２３のコイルエンド２４ａ付近を流れるようになっている。

一方、膨張部１０は、いわゆるスクロール型の膨張機からなるものであって、固定側渦巻部１３を有して固定スクロール（固定部材）として機能する第１のケース１１、同第１のケース１１に組み付けられる第２のケース１４、並びに第１及び第２のケース１１，１４の内部に収容される旋回スクロール（回転部材）１５を備えている。

このうち、旋回スクロール１５は、回転軸２２の右端部に固定して取り付けられており、回転軸２２を中心に回転する。この旋回スクロール１５には、固定側渦巻部１３に噛み合わされる旋回側渦巻部１５ａが形成されている。そして、固定側渦巻部１３と旋回側渦巻部１５ａとにより区画される空間により膨張室Ｄが形成されている。また、各渦巻部１３，１５ａの先端部には、それらの渦巻形状に沿って溝部がそれぞれ形成されるとともに、各溝部にシール部材１６，１７がそれぞれ収納されている。そして、これらのシール部材１６，１７により、各渦巻部１３，１５ａの先端面とそれぞれ対向する相手側のスクロール部材との間のシール性が確保されている。

また、旋回スクロール１５及び回転軸２２には、ロータ室Ａ内の水素を膨張室Ｄに導く第２の気体通路３２が形成されている。第２の気体通路３２は、以下の（ａ１），（ａ２）に示す第１及び第２の通路部３２ａ，３２ｂから構成されている。

（ａ１）回転軸２２に形成されて、その中央部よりも右側の部分にロータ室Ａに開口する２つの開口部３２ｃ，３２ｄを有するとともに、同開口部３２ｃ，３２ｄから回転軸２２の内部を通じて旋回スクロール１５の中央部まで伸びるようにして形成される第１の通路部３２ａ。

（ｂ１）旋回スクロール１５の右側面に形成された凹部と第２のケース１４とにより区画された空間により形成される第２の通路部３２ｂ。この第２の通路部３２ｂは、その中央部が第１の通路部３２ａに連通されるとともに、その両端部に、膨張室Ｄに開口する開口部３２ｅ，３２ｆを有している。開口部３２ｅ，３２ｆは、膨張部１０から発電部２０に向かう方向に開口するように指向されている。

これにより、ロータ室Ａ内の水素は、図中に二点鎖線で示すように、第２の気体通路３２のロータ室Ａ側の開口部３２ｃ，３２ｄからその内部に導入された後、開口部３２ｅ，３２ｆを通じて膨張室Ｄ内に導入されるようになっている。

さらに、第１及び第２のケース１１，１４の上部には、膨張室Ｄ内の水素を第１の気体通路３１に排出する排出口１８が形成されている。
そして、この膨張部１０では、ロータ室Ａ内の水素が第２の気体通路３２を通じて膨張室Ｄ内に導入されると、膨張室Ｄ内の圧力により旋回スクロール１５が回転軸２２を中心に回転する。このとき、旋回スクロール１５の回転に伴い膨張室Ｄが変位することにより、膨張室Ｄに導入された水素が旋回スクロール１５の径方向外周側に移動しつつ減圧膨張される。そして、膨張室Ｄで減圧膨張された水素は、排出口１８を介して第１の気体通路３１に排出される。

次に、図１及び図２を参照して、このような構成からなる発電機能付き膨張機８の動作例（作用）について説明する。
例えば、図１に示す燃料電池スタック１で電力を生成すべく、流量調整バルブ７が開けられたとする。このとき、高圧水素タンク６から水素が排出される際に、タンク内では水素が断熱膨張するため、低温の水素が水素供給配管２を介して発電機能付き膨張機８に流入される。すなわち、低温の水素が図２に示すケース２５の流入口２５ｂから隙間Ｃ、及び軸受ホルダ２７の貫通孔２７ａを介してロータ室Ａ内に導入される。これにより、低温の水素がキャン１２の内面に沿って流れるため、キャン１２が冷却される。

ところで、本実施形態のように、ロータ２１がキャン１２の内部に収容された、いわゆるキャン構造を採用するようにした場合、ロータ２１の回転に伴ってキャン１２を直交する磁束が変化すると、キャン１２に渦電流が発生する。このような渦電流は、キャン１２の温度を上昇させるばかりでなく、発電部２０の温度を上昇させる要因となるため、発電効率の面からすると好ましくない。この点、本実施形態では、キャン１２の内面に沿って流れる低温の水素によりキャン１２を冷却することができるため、過電流に起因するキャン１２の温度上昇を的確に抑制することができる。よって、発電部２０の発電効率を高めることが可能となる。

そして、ロータ室Ａ内に導入された水素は、回転軸２２及び旋回スクロール１５に形成された第２の気体通路３２を通じて旋回スクロール１５の奥側に流し込まれた後、膨張部１０の膨張室Ｄ内に導入される。

ここで、ロータ室Ａから膨張室Ｄに水素を導くようにした場合、減圧前の高圧の水素が存在するロータ室Ａの内圧の方が膨張室Ｄの内圧よりも大きくなる。そして、ロータ室Ａと膨張室Ｄとにこのような差圧が生じると、回転軸２２には、発電部２０から膨張部１０に向かう方向の付勢力が働くため、旋回スクロール１５が発電部２０から膨張部１０に向かう方向に押圧される。この場合、旋回スクロール１５が第１のケース１１に対して相対変位し、シール部材１６，１７によるシール機能が低下するおそれがある。この点、本実施形態では、ロータ室Ａ内の水素が第２の気体通路３２を通じて膨張室Ｄに導かれる際に、同気体通路３２内の水素は、膨張室Ｄ内に導入される際に、その流れ方向が膨張部１０から発電部２０に向かう方向に指向される。そして、こうした水素の流れにより、旋回スクロール１５には膨張部１０から発電部２０に向かう方向の付勢力が働く。これにより、上記差圧に起因して回転軸２２に働く付勢力を抑制することができるため、シール部材１６，１７によるシール機能の低下を抑制することができる。よって、膨張部１０における膨張機能を的確に確保することが可能となる。

また、膨張室Ｄに高圧の水素が導入されることにより旋回スクロール１５が回転軸２２を中心に回転すると、膨張室Ｄ内で水素が減圧膨張される。この際、回転軸２２の回転に基づきロータ２１が回転することで、発電部２０では発電が行われる。これにより、膨張部１０で水素を減圧膨張させる際に発生する膨張エネルギを利用して発電を行うことが可能となる。また、膨張室Ｄで減圧膨張された水素は、第１及び第２のケース１１，１４の上部に形成された排出口１８から第１の気体通路３１を通じて減圧弁３０に導入されることで、燃料電池スタック１に適した圧力まで更に減圧される。そして、減圧弁３０で減圧されて低温となった水素は、第１の気体通路３１を通じてケース２５の導入口２５ｃ，２５ｄからステータ室Ｂ内に導入されるため、ステータ２３を冷却することができる。このような構成によれば、別途の冷却構造を設けることなくステータ２３を冷却することができるため、簡素な構造で発電部２０の発電効率を高めることが可能となる。また、本実施形態では、低温の水素がケース２５の導入口２５ｃ，２５ｄを介してステータ２３のコイルエンド２４ａ付近を流れるため、特に発熱し易いコイルエンド２４ａ付近を的確に冷却することができる。よって、発電部２０の発電効率を更に高めることが可能となる。さらに、減圧弁３０を通じて減圧した水素をステータ室Ｂに導入することとすれば、ケース２５の素材として、より耐圧強度の低い素材を用いることが可能となる。よって、ケース２５の軽量化、並びにケース２５に用いられる締結部材の小型化を図ることができる。

また、ステータ室Ｂ内の水素は、ケース２５の排出口２５ｅ，２５ｆから水素供給配管２を通じて下流側の燃料電池スタック１に供給されることとなる。
以上説明したように、本実施形態にかかる発電機能付き膨張機及び燃料電池システムによれば、以下のような効果が得られるようになる。

（１）膨張部１０では、膨張室Ｄへの水素の流入に基づき旋回スクロール１５を回転軸２２を中心に回転させ、膨張室Ｄ内の水素を減圧膨張させることとした。また、発電部２０では、回転軸２２の回転に基づきロータ２１を回転させることで発電を行うこととした。そして、発電機能付き膨張機８には、膨張部１０で減圧膨張された水素を発電部２０のステータ室Ｂに導入する第１の気体通路３１を設けることとした。さらに、ケース２５には、ステータ室Ｂ内の水素を水素供給配管２に排出する排出口２５ｅ，２５ｆを形成することとした。これにより、膨張部１０で水素を減圧膨張させる際に発生する膨張エネルギを利用して発電を行うことが可能となる。また、別途の冷却構造を設けることなくステータ２３を冷却することができるため、簡素な構造で発電部２０の発電効率を高めることが可能となる。

（２）ケース２５には、ステータ２３のコイルエンド２４ａに対応する位置に、膨張部１０で減圧膨張された水素を第１の気体通路３１を通じてステータ室Ｂに導入する導入口２５ｃ，２５ｄを形成することとした。また、ケース２５には、ステータ２３のコイルエンド２４ａに対応する位置に、ステータ室Ｂ内の水素を水素供給配管２に排出する排出口２５ｅ，２５ｆを形成することとした。これにより、特に発熱し易いステータ２３のコイルエンド２４ａ付近を的確に冷却することができるため、発電部２０の発電効率を更に高めることが可能となる。

（３）ケース２５には、高圧水素タンク６からの水素をキャン１２の内部に流入させる流入口２５ｂを形成することとした。また、回転軸２２及び旋回スクロール１５には、キャン１２の内部の水素を膨張室Ｄに導入する第２の気体通路３２を形成することとした。これにより、キャン１２を冷却することができるため、渦電流に起因するキャン１２の温度上昇を抑制することができ、ひいては発電部２０の発電効率を高めることが可能となる。

（４）ケース２５及び軸受ホルダ２７には、流入口２５ｂを通じてキャン１２の内部に流入される水素の流れをキャン１２に向かう方向に指向させる気体通路を形成することとした。これにより、キャン１２を的確に冷却することができるため、発電部２０の発電効率を更に高めることが可能となる。

（５）回転軸２２及び旋回スクロール１５には、上記（ａ１）及び（ａ２）に示した第１及び第２の通路部３２ａ，３２ｂを形成することとした。そして、これら第１及び第２の通路部３２ａ，３２ｂにより、キャン１２の内部の水素を膨張室Ｄに導入する第２の気体通路３２を構成することとした。これにより、膨張部１０におけるシール性能の低下を抑制することができるため、その膨張機能を確保することができるようになる。

（６）第１の気体通路３１の途中に減圧弁３０を設けることとした。これにより、ケース２５の素材として、より耐圧強度の低い素材を用いることが可能となるため、ケース２５の軽量化、並びにケース２５に用いられる締結部材の小型化を図ることができる。

（７）高圧水素タンク６に貯蔵された水素を発電機能付き膨張機８に導入することとした。これにより、ステータ２３やキャン１２を的確に冷却することができるため、発電部２０の発電効率をより高めることが可能となる。

（８）膨張部１０及び発電部２０を一体化することとした。これにより、発電機能付き膨張機８の全体としての小型化を図ることが可能となる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・上記実施形態では、ケース２５の流入口２５ｂを通じてキャン１２の内部に流入される水素の流れをキャン１２に向かう方向に指向させる気体通路をケース２５及び軸受ホルダ２７に形成することとしたが、この気体通路は省略することが可能である。要は、高圧水素タンク６からの水素をキャン１２の内部に流入させる流入口２５ｂがケース２５に形成されていればよい。

・上記実施形態では、高圧水素タンク６からの水素をロータ室Ａに流入させた後、同ロータ室Ａから膨張室Ｄへと流すこととしたが、これに代えて、高圧水素タンク６からの水素を膨張室Ｄに直接流入させてもよい。具体的には、図３に示すように、第２のケース１４に固定側渦巻部１９を形成する。また、第１及び第２のケース１１，１４の内部には、固定側渦巻部１９に噛み合わせるようにして旋回スクロール１５を配置する。さらに、膨張部１０の第２のケース１４には、高圧水素タンク６からの水素を水素供給配管２を介して膨張室Ｄに導入させる流入口１４ａを形成する。このような構成であっても、膨張部１０及び減圧弁３０を通じて減圧された低温の水素をステータ室Ｂに導入することができるため、ステータ２３を冷却することができる。よって、発電部２０の発電効率を高めることが可能である。

・上記実施形態では、ロータ室Ａ内の水素を膨張室Ｄに導く第２の気体通路３２を旋回スクロール１５及び回転軸２２に形成することとした。これに代えて、例えば図４に示すように、第１のケース１１に、ロータ室Ａ内の水素を膨張室Ｄに導く第２の気体通路３３を形成してもよい。このような構成であっても、ケース２５の流入口２５ｂを介してキャン１２の内部に流入される水素によりキャン１２を冷却することができるため、渦電流に起因するキャン１２の温度上昇を抑制することができる。よって、発電部２０の発電効率を高めることが可能である。

・上記実施形態では、第１の気体通路３１の途中に減圧弁３０を設けることとした。これに代えて、図５に示すように、発電機能付き膨張機８と燃料電池スタック１とを接続する水素供給配管２の途中に減圧弁３０を設けてもよい。このような構成であっても、膨張部１０を通じて減圧された低温の水素をステータ室Ｂに導入することができるため、ステータ２３を冷却することができる。よって、発電部２０の発電効率を高めることが可能である。

・ケース２５に形成された導入口２５ｃ，２５ｄ及び排出口２５ｅ，２５ｆの位置は適宜変更可能である。
・膨張部１０あるいは発電部２０に減圧弁３０を一体的に設けてもよい。これにより、発電機能付き膨張機８の全体としての小型化を図ることが可能となる。

・上記実施形態では、発電機能付き膨張機８に減圧弁３０を設けることとしたが、膨張部１０において水素の圧力を燃料電池スタック１に供給するのに適した圧力まで低下させることが可能な場合には、減圧弁３０を省略してもよい。

・膨張部１０及び発電部２０を別々に設けてもよい。要は、膨張部及び発電部を備える発電機能付き膨張機であれば、本発明を適用することは可能である。
・上記実施形態では、本発明にかかる発電機能付き膨張機を、スクロール型の膨張機に適用することとしたが、例えばツース型の膨張機や、ベーン型の膨張機など、容積型の各種膨張機に適用することが可能である。

・本発明にかかる発電機能付き膨張機に用いられる気体は、水素に限らず、例えば天然ガスなど、断熱膨張にて冷却されて且つ、電池や内燃機関のエネルギー源として用いられる気体であればよい。

・上記実施形態では、本発明にかかる発電機能付き膨張機を燃料電池車に搭載される膨張機に適用することとしたが、これに代えて、例えば天然ガス車両や水素エンジン車両に搭載される膨張機に適用することも可能である。また、車両以外の機器に適用することも可能である。要は、気体を減圧膨張させるとともに、その膨張エネルギを利用して発電を行う発電機能付き膨張機であれば、本発明を適用することが可能である。

＜付記＞
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。
（イ）請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機において、前記膨張部及び前記発電部が一体化されていることを特徴とする発電機能付き膨張機。同構成によれば、発電機能付き膨張機全体としての小型化を図ることが可能となる。

（ロ）請求項７に記載の発電機能付き膨張機において、前記減圧弁が、前記膨張部あるいは前記発電部に一体的に設けられてなることを特徴とする発電機能付き膨張機。同構成によれば、減圧弁を設けるようにした場合であれ、発電機能付き膨張機全体としての小型化を図ることが可能となる。

Ａ…ロータ室、Ｂ…ステータ室、Ｃ…隙間、Ｄ…膨張室、１…燃料電池スタック、２…水素供給配管、３…空気供給配管、５…エアコンプレッサ、６…高圧水素タンク、７…流量調整バルブ、８…発電機能付き膨張機、１０…膨張部、１１…第１のケース、１１ａ…貫通孔、１２…キャン、１３，１９…固定側渦巻部、１４…第２のケース、１４ａ…流入口、１５…旋回スクロール、１５ａ…旋回側渦巻部、１６，１７…シール部材、１８…排出口、２０…発電部、２１…ロータ、２２…回転軸、２３…ステータ、２４…コイル、２４ａ…コイルエンド、２５…ケース、２５ａ…側壁、２５ｂ…流入口、２５ｃ，２５ｄ…導入口、２５ｅ，２５ｆ…排出口、２６，２８…軸受、２７…軸受ホルダ、２７ａ…貫通孔、３０…減圧弁、３１…第１の気体通路、３２，３３…第２の気体通路、３２ａ…第１の通路部、３２ｂ…第２の通路部、３２ｃ〜３２ｆ…開口部。

Claims (8)

1. 回転軸を中心に回転する回転部材と固定部材との間に形成される膨張室内に気体流路の上流側から気体が流入されることにより前記回転部材が前記回転軸を中心に回転し、同回転部材の回転に基づき前記膨張室内の気体を減圧膨張させる膨張部と、
   前記回転軸と一体となって回転するとともにキャンの内部に収容されるロータ、及び前記キャンの外面とその外周を覆うケースとにより区画形成されたステータ室に収容されるステータを有し、前記回転軸の回転に基づき前記ロータが回転することで発電を行う発電部と、
   前記膨張部で減圧膨張された気体を前記ステータ室に導入する第１の気体通路とを備え、
   前記ケースには、前記ステータ室内の気体を前記気体流路の下流側に排出する排出口が形成されてなる
   ことを特徴とする発電機能付き膨張機。
2. 前記ケースには、前記ステータのコイルエンドに対応する位置に、前記膨張部で減圧膨張された気体を前記第１の気体通路を通じて前記ステータ室に導入する導入口が形成されてなる
   請求項１に記載の発電機能付き膨張機。
3. 前記ケースには、前記ステータのコイルエンドに対応する位置に、前記排出口が形成されてなる
   請求項１又は２に記載の発電機能付き膨張機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機において、
   前記ケースには、前記気体流路の上流側からの気体を前記キャンの内部に流入させる流入口が更に形成され、
   前記キャンの内部の気体を前記膨張室に導入する第２の気体通路を更に備える
   ことを特徴とする発電機能付き膨張機。
5. 請求項４に記載の発電機能付き膨張機において、
   前記流入口を通じて前記キャンの内部に流入された気体の流れを前記キャンに向かう方向に指向させる気体通路を更に備える
   ことを特徴とする発電機能付き膨張機。
6. 前記回転軸には、前記キャンの内部に位置する部位に開口部を有するとともに、同開口部から同回転軸の内部を通じて前記回転部材まで伸びるようにして第１の通路部が形成され、
   前記回転部材には、前記第１の通路部と前記膨張室とを連通するとともに、同膨張室に開口する部分が前記膨張部から前記キャンに向かう方向に指向された第２の通路部が形成され、
   前記第２の気体通路が、前記第１及び第２の通路部からなる
   請求項４又は５に記載の発電機能付き膨張機。
7. 前記第１の気体通路には、減圧弁が設けられてなる
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機。
8. 高圧水素タンクに貯蔵された高圧の水素を膨張機を通じて減圧膨張させるとともに、同減圧膨張された水素を燃料電池に供給することで発電を行う燃料電池システムにおいて、
   前記膨張機として、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機能付き膨張機を用いる
   ことを特徴とする燃料電池システム。