JP2022165409A - モーターとモーターのヒートシンクとして機能するブロワボリュートとを統合して備えた遠心ブロワ - Google Patents

Abstract

【課題】ボリュート内部の低温、高速の空気流を利用して、モーターからボリュート壁を通って伝導される熱を除去し、モーターのアクティブヒートシンクとして機能することができる遠心ブロワを提供する。【解決手段】遠心ブロワは、モーターハウジング４１０内に位置するモーター、インペラ、及びボリュート４０２を含み、ボリュートは、作動中にボリュートがモーターを能動的に冷却するよう構成されるように、モーターハウジングに直接接触する。【選択図】図４Ｄ

Description

本開示の態様は、ブロワ、例えば燃料電池システム用ブロワに関する。

燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温型の燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して動作することができる。燃料電池には、固体酸化物形再生燃料電池など、逆の動作も可能な部類があり、電気エネルギーを入力として使用して、酸化された燃料を還元して未酸化燃料に戻すことができる。

本開示の一実施形態に係る遠心ブロワは、モーターハウジング内に位置するモーター、インペラ、及びボリュートを含む。ボリュートは、作動中にボリュートがモーターを能動的に冷却するよう構成されるように、モーターハウジングに直接接触する。

一実施形態では、モーターハウジングはその外面にフィン付きラジエータを含み、ボリュートは、ボリュートの壁がモーターハウジングの一部を形成するように、フィン付きラジエータに接触する。一実施形態では、ボリュートは、モーターシャフトのシャフトに平行な方向に、シャフトに垂直な方向のボリュートの高さよりも少なくとも２倍幅広の楕円形状を有し、ボリュートのフィン付きラジエータに接触する部分が、径方向外側に位置して、フィン付きラジエータの少なくとも一部を取り囲む。

本開示の一実施形態に係る遠心ブロワは、モーターシャフトを含むモーター、モーターシャフトに直接取り付けられたインペラ、及びボリュートを含む。

本開示の一実施形態に係るインペラは、インペラの表面上の複数のフルブレード、及びインペラの表面上の複数のスプリッタブレードを含み、複数のフルブレードのそれぞれが第１の長さを有し、複数のスプリッタブレードのそれぞれが当該第１の長さよりも短い第２の長さを有する。

一実施形態では、複数のフルブレードのそれぞれは、インペラの周縁に配置された後縁（trailing edge）を含み、当該後縁は、インペラの回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角（lean angle）を含み、上記複数のスプリッタブレードのそれぞれは、インペラの周縁に配置された後縁を含み、当該後縁は、インペラの回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角を含む。

一実施形態では、複数のフルブレードのそれぞれの後縁は、４５°～６５°の後退角（back sweep angle）を含み、複数のスプリッタブレードのそれぞれの後縁は、４５°～６５°の後退角を含む。スプリッタブレードの長さの大部分の後退角の絶対値は、フルブレードの長さの大部分の後退角の絶対値よりも大きい。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示の実施形態を示し、上記の全体的な説明及び以下に述べる詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。

図１は、様々な実施形態を実施するのに適した様々な実施形態に係る燃料電池システムの斜視図である。 図２は、様々な実施形態を実施するのに適した様々な実施形態に係るホットボックスの概略側面断面図（schematic side cross-sectional view）である。 図３は、本開示の様々な実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システムの概略図である。 図４Ａは、本開示の様々な実施形態に係るブロワハウジングの側面断面図である。 図４Ｂは、本開示の様々な実施形態に係るブロワハウジングの正面図である。 図４Ｃは、本開示の様々な実施形態に係るブロワハウジングの側面図である。 図４Ｄは、本開示の様々な実施形態に係るブロワハウジングの斜視図である。 図５Ａは、本開示の様々な実施形態に係るインペラの正面図である。 図５Ｂは、本開示の様々な実施形態に係るインペラの斜視図である 図５Ｃは、本開示の様々な実施形態に係るインペラの側面図である。 図６は、本開示の様々な実施形態に係る図５Ａ－５Ｃのインペラのブレードの傾斜角をグラフにプロットした図である。 図７は、本開示の様々な実施形態に係る図５Ａ－５Ｃのインペラのブレードの後退角をグラフにプロットした図である。

様々な実施形態を添付の図を参照して詳細に説明する。同じ又は類似の部品への言及には、可能な限り、図面を通して同じ参照番号を用いる。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示を目的とするものであり、本発明の範囲又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

空気及び他のガス用ブロワは、燃料電池システムの不可欠な構成要素であり、冷却、発電用空気もしくは燃料の供給、又は排気の再循環及び／又は通気のために、システム全体で空気又は別のガス（例えば、燃料）を移動させる。本明細書に記載される様々な実施形態は、ブロワの構成要素のための装置構造及び機能を提供する。いくつかの実施形態では、ブロワは、様々な長さのブレードを有するインペラを含み得る。インペラブレードは、第１の長さのフルブレードと、第１の長さよりも短い第２の長さのスプリッタブレードとを含み得る。インペラブレードは、インペラの回転方向に向かって後退角を有し得る。インペラブレードは、後縁で大きい後退角を有し得る。いくつかの実施形態では、ブロワはボリュートを有するブロワハウジングを含み得、ボリュートは、少なくとも部分的に、ブロワハウジングのモーターハウジング部分の少なくとも一部を形成する。ボリュートは、高さよりも広い幅を有する楕円形であってよい。

本明細書に記載される様々な実施形態は、空気用ブロワに関して説明され得る。当業者は、空気用ブロワのこのような説明が、大気用のブロワ、又は加熱空気（heat air）、冷気、加湿空気、除湿空気などの調整された空気用ブロワに同様に適用できることを認識するであろう。当業者は、空気用ブロワのこのような説明が、燃料ガス用ブロワ又は燃料電池システム内のアノード排気リサイクルガスなどの排気ガス用ブロワに同様に適用可能であり得ることを認識するであろう。

本明細書に記載の実施形態は、ブロワハウジング及びインペラ設計を改善することにより、既存のブロワ構成要素の設計を越える利点を提供する。ブロワハウジングのアーキテクチャは、ブロワボリュートを利用してブロワモーターを能動的に冷却する統合された設計であってよい。高アスペクト比（例えば、２より大きい、例えば、２．２、２．３、２．４など～３までを含む２．１～１０）の楕円断面形状のブロワボリュートを、従来のブロワ構成と比較して、インペラの反対側（例えば、モーター側）に配置することができる。ボリュート壁は、ブロワハウジングのモーターハウジング部分の少なくとも一部を形成することができる。ボリュート内部の低温、高速の空気流を利用して、モーターからボリュート壁を通って伝導される熱を除去し、モーターのアクティブヒートシンクとして機能することができる。いくつかの実施形態では、楕円形のボリュートは、モーターハウジングのフィン付きラジエータ部分と組み合わせて使用することができ、モーター用の典型的な冷却ファンを省略することができる。いくつかの実施形態では、ブロワインペラは、ブロワモーターのモーターシャフトに直接取り付けることができる。ブロワハウジングのアーキテクチャの実施形態のいずれも、例えば、楕円形のボリュートを使用するというより小さい形状ファクタを用いることによって、又はモーターの冷却ファンや、ブロワインペラとモーターシャフトを結合するための追加の結合要素などの部品の省略を介して、既存のブロワに比べて、寸法、費用、及び／又は騒音を減らし、信頼性を高めることによって、既存のブロワ設計を越える利点を提供することができる。

遠心ブロワインペラは、複数のブレードの長さの組み合わせを含むことができる。フルブレードの間にスプリッタブレードを配置することができ、スプリッタブレードの長さは、フルブレードの長さよりも短くすることができる。スプリッタブレード及び／又はフルブレードを含むブレードは、後縁で大きい後退角を有することができる。例えば、大きい後退角は、約４５°以上、例えば、約４５°～約６５°であってよい。スプリッタブレード及び／又はフルブレードを含むブレードは、インペラの回転方向に向かって大きい傾斜角を有することができる。例えば、大きい傾斜角は、約３５°～約４５°、例えば約４０°であってよい。インペラの実施形態のいずれも、インペラの効率及び騒音低減を改善することにより、既存のブロワ設計を越える利点を提供し得る。いくつかの実施形態では、改善された効率は、速度、出力、容量、流量、圧力などの範囲を含み得る作動範囲にわたって実現され得る。可変のブレード長、及び／又は、インペラの回転方向に向かってのブレードの傾斜角等の、インペラの実施形態のいくつかは、ブロワを通るガス流によって引き起こされる騒音を低減又は打ち消すことにより、既存のブロワ設計を越える利点を提供することができる。

図１は、モジュール式燃料電池システムの説明のために参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，４４０，３６２号に、より完全に記載されているモジュール式燃料電池システムを含む１つの発電機の一例を示す。このモジュール式システムは、上述の特許、並びに、モジュール式燃料電池システムの説明のために参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１９０，６９３号に記載のモジュール及び構成要素を含むことができる。燃料電池システム格納筐体１０のモジュール設計は、柔軟なシステムの設置及び運転を提供する。

モジュール式燃料電池システム格納筐体１０は、複数のパワーモジュールハウジング１２（燃料電池パワーモジュール構成要素を含む）、１つ又は複数の燃料入力（すなわち、燃料処理）モジュールハウジング１６、及び１つ又は複数の電力調整（すなわち、電気出力）モジュールハウジング１８を含む。例えば、システム格納筐体は、２～３０個のパワーモジュール等、例えば６～１２個のパワーモジュールのような、任意の所望の数のモジュールを含むことができる。図１は、共通のベース２０上に、６個のパワーモジュール（６個のモジュールを横１列に重ねたもの）、１つの燃料処理モジュール、及び１つの電力調整モジュールを含むシステム格納筐体１０を示す。各モジュールは、それ自体のキャビネット又はハウジングを備えることができる。あるいは、電力調整及び燃料処理モジュールを組み合わせて、１つのキャビネット又はハウジング１４に配置された単一の入力／出力モジュールにすることができる。簡潔にするために、各ハウジング１２，１４，１６，１８は、以下では「モジュール」と呼ぶこととする。

１列のパワーモジュール１２が示されているが、システムは、パワーモジュール１２を２列以上備えてもよい。例えば、システムは２列のパワーモジュールを背中合わせに重ねてもよい。

各パワーモジュール１２は、１つ又は複数のホットボックス１３を収容するように構成される。各ホットボックスは、導電性インターコネクトプレートによって分離されたセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物形燃料電池の１つ又は複数のスタック又はカラムなど、１つ又は複数の燃料電池のスタック又はカラム（明確性のために示さず）を含む。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの他のタイプの燃料電池を使用することもできる。

モジュール式燃料電池システム格納筐体１０はまた、１つ又は複数の入力又は燃料処理モジュール１６を含む。このモジュール１６は、脱硫床等の、燃料の前処理に使用される構成要素を含有するキャビネットを含む。燃料処理モジュール１６は、異なるタイプの燃料を処理するように設計することができる。例えば、ディーゼル燃料処理モジュール、天然ガス燃料処理モジュール、及びエタノール燃料処理モジュールを、同じ又は別個のキャビネットに設けることができる。特定の燃料に合わせて調整された異なる床組成が各モジュールに設けられ得る。処理モジュール１６は、パイプラインから供給される天然ガス、圧縮天然ガス、メタン、プロパン、液体石油ガス、ガソリン、ディーゼル、家庭用暖房油、灯油、ＪＰ－５、ＪＰ－８、航空燃料、水素、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、バイオディーゼル及びその他の適切な炭化水素又は水素含有燃料から選択される燃料のうちの少なくとも１つを処理することができる。必要に応じて、燃料処理モジュール１６に改質器１７を配置してもよい。あるいは、改質器１７を燃料電池スタックと熱的に統合することが望ましい場合には、別個の改質器１７をそれぞれのパワーモジュール１２内の各ホットボックス１３に配置することができる。さらに、内部改質型燃料電池が使用される場合、外部改質器１７を完全に省略することができる。

モジュール式燃料電池システム格納筐体１０は、また、１つ又は複数の電力調整モジュール１８を含む。電力調整モジュール１８は、燃料電池スタックで発生したＤＣ電力をＡＣ電力に変換するための構成要素を含むキャビネット、グリッドに出力されるＡＣ電力用の電気コネクタ、電気的過渡現象を管理するための回路、システムコントローラ（例えば、コンピュータ又は専用の制御ロジックデバイス又は回路）を包含するキャビネットを含む。電力調整モジュール１８は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を様々なＡＣ電圧及び周波数に変換するように設計することができる。２０８Ｖ，６０Ｈｚ；４８０Ｖ，６０Ｈｚ;４１５Ｖ，５０Ｈｚ及びその他の一般的な電圧及び周波数に設計することができる。

燃料処理モジュール１６及び電力調整モジュール１８は、１つの入力／出力キャビネット１４に収容することができる。単一の入力／出力キャビネット１４が設けられる場合は、モジュール１６及び１８を、キャビネット１４内で、上下方向に（例えば、燃料処理モジュール１６脱硫キャニスター／床の上方に電力調整モジュール１８構成要素）又は横に並べて配置してもよい。

図１の例示の実施形態に示されるように、６つのパワーモジュール１２の１列に対して、入力／出力キャビネット１４が１つ提供され、６つのパワーモジュール１２は、入力／出力モジュール１４の片側に直線状に横並びで配置される。モジュールの列は、例えば、システムが電力を供給する建造物に隣接して配置され得る（例えば、モジュールのキャビネットの背面が建造物の壁に面している）。１列のパワーモジュール１２が示されているが、システムは、２列以上のモジュール１２を含んでもよい。例えば、上記のように、システムは背中合わせに重ねられた２列のパワーモジュールを含むことができる。

パワーモジュール１２と入力／出力モジュール１４のそれぞれはドア３０（例えばハッチ、アクセスパネル等）を含み、モジュールの内部構成要素にアクセスできる（例えば、メンテナンス、修理、交換等のために）。一実施形態によると、モジュール１２及び１４は、各キャビネットの片面にのみドア３０を有する直線配列で配置され、システムの連続する列を端どうし互いに隣接させて設置することができる。このようにして、燃料電池格納筐体１０のサイズ及び容量は、既存のモジュール１２及び１４及びベース２０の必要最小限の再配置で、追加のモジュール１２又は１４及びベース２０で調整することができる。必要に応じて、モジュール１４へのドア３０は、キャビネットの前面ではなく側面に配置することができる。

図２は、燃料電池スタック又はカラム４０を含む燃料電池システムホットボックス１３の平面図を示す。ホットボックス１３は、燃料電池スタック又はカラム４０を含むことが分かる。ただし、ホットボックス１３は、２つ以上のスタック又はカラム４０を含み得る。スタック又はカラム４０は、インターコネクト５０を燃料電池４５の間に配置して、互いに積み重ねられ電気的に接続された燃料電池４５を含むことができる。スタック又はカラムの最初と最後の燃料電池４５は、それぞれのエンドプレート６０とインターコネクト５０との間に配置される。エンドプレート６０は、燃料電池スタック又はカラム４０の電気出力に電気的に接続される。ホットボックス１３は、例えば燃料導管、空気導管、シール、電気接点などの他の構成要素を含むことができ、バランス・オブ・プラント構成要素を含む燃料電池システムに組み込むことができる。燃料電池４５は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）等のセラミック電解質、例えばニッケル－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＳＳＺ又はニッケルサマリアドープセリア（ＳＤＣ）サーメット等のアノード電極、及び、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極を含む固体酸化物形燃料電池であってよい。インターコネクト５０及び／又はエンドプレート６０は、例えばクロム－鉄合金、例えば４～６ｗｔ％が鉄で残りがクロムである合金など、任意の適切なガス不透過性の導電性材料を含むことができる。インターコネクト５０は、隣接する燃料電池４５を電気的に接続し、燃料及び空気が燃料電池４５に到達するためのチャネルを提供する。

モジュール式燃料電池システム格納筐体１０等の燃料電池システムは、各種支援設備を含む及び/又はそれにより拡張される。支援設備は、燃料電池システムの運転を支援するための様々な補助設備及びシステムを含むことができる。支援設備は、燃料電池システムが設置される現場での制約及び／又は特徴に基づいて異なっていてよい。非限定的な例として、支援設備は、燃料支援設備、空気支援設備、及び/又は換気支援設備を含むことができる。１つのタイプの燃料支援設備は、燃料電池システム内の供給及び／又は排気燃料圧力を制御するように構成された設備を含んでよく、例えば、燃料電池システムに燃料を供給する、燃料電池システムで燃料／排気を循環させる、及び／又は燃料電池システムから燃料を排出するための燃料ブロア又はポンプであってよい。別のタイプの燃料支援設備は、燃料電池システム用の燃料を処理するように構成することができ、例えば、燃料予熱器、排気スクラバであってよい。他のタイプの燃料支援装置を使用することもできる。１つのタイプの空気支援設備は、燃料電池システムに空気を提供する及び／又は燃料電池システムから空気を排出するように構成された空気供給設備であってよく、例えば、燃料電池カソード、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）、空気熱交換器、ＣＰＯｘ反応器などへ空気を提供する、及び／又はこれらから空気を排出するためのブロワ又はファンであってよい。他のタイプの空気支援設備も使用することができる。１つのタイプの換気支援設備は、ホットボックスの外部のハウジングの一部（例えば、モジュール式燃料電池システム格納筐体１０の内部であるがホットボックス１３自身の外部の部分）から換気し及び／又はそこで空気を循環させるように構成された設備を含むことができ、例えば、許容される格納筐体１０圧力を維持するために、格納筐体１０の内部から格納筐体１０の外へと空気を吹き出すための換気ファンを含むことができる。他のタイプの換気支援設備も使用できる。

図３は、本開示の様々な実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０の概略図である。図１を参照すると、システム１００は、ホットボックス１３と、その中に又はそれに隣接して配置された様々な構成要素を含む。例えば、任意の数の及び組み合わせの様々な構成要素が格納筐体（例えば、燃料電池システム格納筐体１０、パワーモジュールハウジング１２、ハウジング１４、燃料入力モジュールハウジング１６、電力調整モジュールハウジング１８）内部に配置され得る。

ホットボックス１３は、固体酸化物形燃料電池スタック（ここでは、スタックの１つの固体酸化物形燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）などのセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ又はニッケル－ＳＳＺサーメットなどのアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などのカソード電極とを含む）などの燃料電池スタック１０２を含むことができる。スタック１０２は、互いの上に重ねて複数のカラムに配置することができる。

ホットボックス１３はまた、アノード復熱器１１０、カソード復熱器２００、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、アノード排気冷却器１４０、スプリッタ１２２とボルテックスジェネレータ１２４とを含むＡＴＯ混合器／インジェクタ（簡潔のため本明細書ではＡＴＯインジェクタと呼ぶ）１２０、及び、蒸気発生器１６０を含むことができる。システム１０はまた、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器１７０、混合器１５０、ＣＰＯｘブロワ１８０（例えば、空気ブロワ）、システムブロワ１８２（例えば空気ブロワ）、及び、アノードリサイクルブロワ１８４を含むことができ、これらは、ホットボックス１３の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス１３に対する各構成要素の位置を何らかの特定の位置に限定するものではない。

ＣＰＯｘ反応器１７０は、燃料導管３００Ａを介して、燃料入口３００から燃料吸入流を受け入れる。燃料入口３００は、ＣＰＯｘ反応器１７０に供給される燃料の量を制御するための弁を含むユーティリティガスラインであってよい。ＣＰＯｘブロワ１８０は、システム１０の起動時にＣＰＯｘ反応器１７０に空気を供給し、その後、燃料電池スタック１０２が７００℃を超える定常状態動作温度、例えば７５０～９００℃、に達すると、定常状態動作モード中は、スイッチを切ることができる。定常状態での燃料及び/又は起動時の燃料と空気の混合物は、燃料導管３００Ｂによって混合器１５０に供給することができる。燃料は、混合器１５０から燃料導管３００Ｃを通ってアノード復熱器１１０に流れる。燃料は、アノード復熱器１１０から燃料導管３００Ｄを通ってスタック１０２に流れる。システム１０はまた、アノード復熱器１１０内の１つ又は複数の燃料改質触媒１１２、１１４、及び１１６を含み得る。

メイン空気ブロワ１８２は、空気流（例えば、空気吸入流）を、空気導管３０２Ａを介してアノード排気冷却器１４０に供給するように構成され得る。空気は、アノード排気冷却器１４０から空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱器２００へと流れる。空気は、カソード復熱器２００から空気導管３０２Ｃを通ってスタック１０２へと流れる。

スタック１０２で発生したアノード排気（すなわち、燃料排気）は、アノード排気出口導管３０８Ａを通ってアノード復熱器１１０に供給される。アノード排気には未反応の燃料が含まれ得る。アノード排気は、本明細書では燃料排気と呼ぶこともある。アノード排気は、アノード復熱器１１０からアノード排気導管３０８Ｂによってスプリッタ１２２に供給することができる。アノード排気の第１の部分は、スプリッタ１２２からアノード排気出口導管３０８Ｄを介してＡＴＯ１３０に供給され得る。アノード排気の第２の部分は、スプリッタ１２２から第１のアノード排気リサイクル導管３０８Ｃによってアノード排気冷却器１４０に供給され得る。アノード排気は、第２のアノード排気リサイクル導管３０８Ｅによって、アノード排気冷却器１４０から混合器１５０に供給され得る。アノードリサイクルブロワ１８４は、以下で論じられるように、アノード排気を、第２のアノード排気リサイクル導管３０８Ｅを通って移動させるように構成することができる。

スタック１０２で発生したカソード排気（例えば、空気排気）は、カソード排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ１３０へと流れる。カソード排気は、本明細書において空気排気と呼ばれることもある。ボルテックスジェネレータ１２４は、カソード排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。導管３０８Ｄは、カソード排気導管３０４Ａに、ボルテックスジェネレータ１２４の下流側で流体接続され得る。ボルテックスジェネレータ１２４を出る旋回カソード排気は、ＡＴＯ１３０に供給される前に、スプリッタ１２２によって供給されるアノード排気と混合することができる。この混合物は、ＡＴＯ１３０内で酸化されてＡＴＯ排気を生成し得る。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ１３０から排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器２００へと流れる。排気は、カソード復熱器２００から排気導管３０４Ｃを通って蒸気発生器１６０へと流れる。排気は、蒸気発生器１６０から排気導管３０４Ｄを通ってホットボックス１００の外へと流れ出る。

水は、水タンク又は水道管などの水源１９０から、水導管３０６Ａを通って蒸気発生器１６０に流れる。蒸気発生器１６０は、この水を、排気導管３０４Ｃによって供給されるＡＴＯ排気からの熱を使用して蒸気に変換する。蒸気は、蒸気発生器１６０から水導管３０６Ｂを通って混合器１５０に供給される。あるいは、必要に応じて、蒸気を燃料吸入流に直接供給することができ、及び／又は、アノード排気流を燃料吸入流に直接供給し、続いて、混合された燃料流を加湿することができる。混合器１５０は、蒸気をアノード排気及び燃料と混合するように構成されている。次に、この燃料混合物は、スタック１０２に供給される前に、アノード復熱器１１０内で加熱され得る。

システム１０はさらに、システム１０の各種要素（例えば、ブロワ１８２及び１８４、及び燃料制御弁）を制御するように構成されたシステムコントローラ２２５を備えることができる。コントローラ２２５は、記憶された命令を実行するように構成された中央処理装置を含み得る。例えば、コントローラ２２５は、燃料組成データに従って、システム１０を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成することができる。

ブロワ

いくつかの実施形態において、ブロワは、図１に関して上で述べた燃料電池システムのブロワのいずれかを含み得る高性能遠心ブロワであり得る。したがって、ブロワは、ＣＰＯｘブロワ１８０（例えば、システム始動用のＣＰＯｘ用空気ブロワ）、システムブロワ１８２（例えば、燃料電池スタックに空気を供給するためのメイン空気ブロワ）、及び／又は、スタックからのアノード排気流を燃料吸入流に再循環させるアノードリサイクルブロワ１８４であり得る。いくつかの実施形態では、ブロワは、上述の燃料電池システムとは異なるシステムで使用することができる。ブロワは、広範囲の流体（例えば、空気及び／又はガス）流量及び／又は圧力で作動することができる。ブロワは、格納筐体内の利用可能な限られたスペースに適合するようにコンパクトな寸法であり得る。
例えば、格納筐体は、燃料電池システム格納筐体１０、パワーモジュールハウジング１２、ハウジング１４、燃料入力モジュールハウジング１６、及び／又は電力調整モジュールハウジング１８などの燃料電池システムの格納筐体であり得る。例えば、ブロワは、ブロワに加えてホットボックス１３も封入することができるパワーモジュールハウジング１２内に適合するような寸法にすることができる。いくつかの実施形態では、コンパクトな寸法と、広範囲の流体流量及び／又は圧力での高性能な動作は、実施形態が図４Ａ－４Ｄを参照して本明細書に記載されるブロワハウジング設計、及び／又は、実施形態が図５Ａ－５Ｃ、６及び７を参照して本明細書に記載されるインペラ設計の、１つ又は複数によって達成され得る。

図４Ａ－４Ｄは、本開示の様々な実施形態に係るブロワハウジング４００の実施例を示す。図４Ａは、ブロワハウジング４００の側面断面図であり、図４Ｂは、ブロワハウジング４００の正面図であり、図４Ｃは、ブロワハウジング４００の側面図であり、図４Ｄは、ブロワハウジングの斜視図である。いくつかの実施形態では、ブロワハウジング４００は、ブロワの構成要素であり得る。様々な実施形態では、ブロワハウジング４００は、任意の数及び組み合わせの、金属、合金、及び／又はポリマーで形成することができる。例えば、ブロワハウジングの任意の構成要素は、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金で形成することができる。

ブロワハウジング４００は、本明細書ではボリュート４０２と呼ばれる流体輸送構造と、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｄに示されるような、モーターハウジング４１０とを含むことができる。いくつかの実施形態では、ボリュート４０２は、空気、排気ガス、及び／又は燃料ガスを運ぶように構成され得る。ボリュート４０２は、曲線形状に形成することができる。図４Ａ及び４Ｃに示されるいくつかの実施形態において、ボリュート４０２は、インペラ５００の周囲（例えば、図５Ａ－５Ｃを参照して以下に説明されるインペラ５００の周縁５０２）の少なくとも一部を取り巻いて径方向に配置され得、ブロワハウジング４００内に配置され得る。例えば、ボリュート４０２は、インペラ５００の周囲の約３６０°を取り巻いて径方向に配置され得る。いくつかの実施形態では、ボリュート４０２は、モーターハウジング４１０の体積の少なくとも一部を取り巻いて径方向に配置され得る。例えば、ボリュート４０２は、モーターハウジング４３０の体積の少なくとも一部の約３６０°を取り巻いて径方向に配置され得る。

ボリュート４０２は、外面４０４及び内面４０６を含み得る。内面４０６は、流体（例えば、空気などのガス）をボリュート入口チャネル４２４から出口４４０に運ぶことのできる流体輸送チャネル４０８を形成し得る。ボリュート入口チャネル４２４及び出口４４０は、流体輸送チャネル４０８に流体的に接続され得る。内面４０６によって形成される流体輸送チャネル４０８は、２より大きいアスペクト比を有する楕円形断面を有し得る。例えば、内面４０６によって形成される流体輸送チャネル４０８は、２．２、２．３、２．４等～３までを含む２．１～１０等の、２より大きい高アスペクト比を有することができる。したがって、ボリュート４０２は、流体輸送チャネル４０８の楕円形断面に等しい内側楕円形断面を有することができる。例えば、ボリュート４０２は、２．２、２．３、２．４等～３までを含む２．１～１０等の、２より大きい高アスペクト比を有することができる。ボリュート４０２は、任意の形状の外面４０４によって形成される外側断面を有することができる。いくつかの実施形態では、ボリュート４０２の外側断面は、ボリュート４０２の内側楕円形断面と同様の、外面４０４によって形成される外側楕円形断面であってよい。ボリュート４０２の流体輸送チャネル４０８は、容積が出口４４０により近くで増加し得るように容積を変えることができる。内面４０６は、出口４４０により近くで流体輸送チャネル４０８の容積を増加させるように寸法を変えることができる。内面４０６は、流体輸送チャネル４０８の容積を増加させながら、ボリュート４０２の内側楕円形断面を維持するような寸法であってよい。いくつかの実施形態では、内面４０６は、内側楕円形断面のアスペクト比を維持しながら、ボリュート４０２の内側楕円形断面を維持するような寸法であってよい。いくつかの実施形態では、内面４０６は、アスペクト比を変化させながら、ボリュート４０２の内側楕円形断面を維持するような寸法であってよい。

モーターハウジング４１０は、外面４１２、内面４１４、及び、内面４１４によって形成されるモーターキャビティ４１８を含み得る。モーターハウジング４１０は、図４Ａに示すように、モーターキャビティ４１８内にモーター４７０を収容するように構成され得る。モーター４７０は、モーターシャフト４３０を介してインペラ５００を駆動するように構成され得る。インペラ５００は、モーターシャフト４３０に直接取り付けられて、ブロワの寸法及び複雑さを低減することができる。モーター４７０の作動は熱を発生し得、モーターハウジング４１０はヒートシンクとして機能し、モーター４７０によって生成された熱を放散することができる。いくつかの実施形態では、モーターハウジング４１０は、複数のヒートシンクフィンを有するフィン付きラジエータ等のラジエータ４５０を含むことができ、ラジエータ４５０は、外面４１２に一体であるか又は取り付けることができる。ラジエータ４５０はヒートシンクとしてモーターハウジング４１０と協同して機能し、モーター４７０によって生成された熱を放散することができる。いくつかの実施形態では、外面４１２は円形の周囲を有し得る。

いくつかの実施形態では、ボリュート４０２は、ボリュート４０２の少なくとも一部がモーターハウジング４１０と重なるように配置することができる。例えば、ボリュート４０２は、モーターハウジング４１０の２０％以上、例えば、モーターハウジング４１０の約４０％～約５０％を含む、モーターハウジング４１０の２０％～１００％に重なることができる。したがって、ボリュート４０２は、実質的に、既存のブロワ設計と比べて、インペラ５００の反対側（例えば、インペラ５００のモーター４７０側）に配置することができる。例えば、ボリュート４０２は、ボリュート入口チャネル４２４と重なる部分と、モーターハウジング４１０と重なる部分とを有し得る。モーターハウジング４１０と重なっているボリュート４０２の部分は、ボリュート４０２の外面４０４の少なくとも一部、及び／又はモーターハウジング４１０と直接接触しているボリュート４０２の内面４０６の少なくとも一部を含むことができる。例えば、モーターハウジング４１０と重なっているボリュート４０２の部分は、外面４１２及び／又はラジエータ４５０等のモーターハウジング４１０に当接して配置されるボリュート４０２の外面４０４の少なくとも一部を含むことができる。別の実施例では、モーターハウジング４１０と重なっているボリュート４０２の部分は、外面４１２及び／又はラジエータ４５０等のモーターハウジング４１０の外面４１２の一部を形成するボリュート４０２の外面４０４の少なくとも一部を含むことができる。別の実施例では、モーターハウジング４１０と重なっているボリュート４０２の部分は、モーターハウジング４１０の外面４１２の一部を形成するボリュート４０２の内面４０６の少なくとも一部を含むことができる。高アスペクト比の楕円形断面を有するボリュート４０２は、モーターシャフト４３０に平行な方向の長軸に沿って、モーターシャフト４３０に垂直な方向の短軸に沿ったボリュート４０２の高さよりも、幅広であってよい。例えば、２より大きい高アスペクト比を有する場合、ボリュート４０２は、ボリュート４０２の高さよりも、例えば、２．２、２．３、２．４等～３倍を含む、２．１～１０倍の、２倍を超えて幅広であってよい。アスペクト比が高いほど、ボリュートのより多くがモーターハウジング４１０に重なり得る。モーターハウジング４１０に重なり得るボリュート４０２の部分は、ラジエータ４５０の少なくとも一部を取り巻いて径方向に配置され得る。

外側楕円形断面を有するボリュート４０２は、外側円形断面を有する（例えば、アスペクト比が１である）既存のブロワ設計と比較して、ブロワハウジング４００の全体的な外寸を減少させることができる。ボリュート４０２の外側楕円断面のアスペクト比が高ければ高いほど、ブロワハウジング４００の全体的な外寸がより小さくなり得る。例えば、ブロワハウジング４００の全体的な外寸は、モーターシャフト４３０に垂直な寸法がより小さくなり得る。モーターハウジング４１０の一部と重なっているボリュート４０２の一部は、ボリュートがモーターハウジングと重ならない既存のブロワ設計と比較して、ブロワハウジング４００の全体的な外寸を減少させることができる。モーターハウジング４１０のより大きな部分と重なっているボリュート４０２のより大きな部分は、ブロワハウジング４００の全体的な外寸をより小さくし得る。例えば、ブロワハウジング４００の全体的な外寸は、モーターシャフト４３０に平行な寸法がより小さくなり得る。

モーターハウジング４１０の一部をボリュート４０２の一部と重ねることにより、ボリュートは、モーター４７０を冷却するためのアクティブヒートシンクとして機能することができる。ボリュート４０２、流体輸送チャネル４０８を通って運ばれる空気及び／又はガスは、モーターハウジング４１０によって吸収される、モーター４７０からの熱よりも低い温度を有し、ボリュート４０２が重なったモーターハウジング４１０の部分に存在し得る。いくつかの実施形態では、モーターハウジング４１０の重ねられた部分に存在する吸収されたモーター熱は、ボリュート４０２の外面４０４の当接部分を介してボリュート４０２によって吸収され、ボリュート４０２の内面４０６によって、ボリュート４０２を介して搬送空気及び／又はガスに伝導される。例えば、モーターハウジング４１０の外面４１２の重ねられた部分に存在する吸収されたモーター熱は、ボリュート４０２の外面４０４の当接部分によって吸収され得る。別の実施例では、モーターハウジング４１０のラジエータ４５０の重ねられた部分に存在する吸収されたモーター熱は、ボリュート４０２の外面４０４の当接部分によって吸収され得る。いくつかの実施形態では、モーターハウジング４１０の重ねられた部分に存在する吸収されたモーター熱はまた、ボリュート４０２の重なっている部分に存在し、ボリュート４０２の内面４０６によって搬送空気及び／又はガスに伝導され得る。例えば、モーターハウジング４１０の外面４１２の重ねられた部分に存在する吸収されたモーター熱はまた、モーターハウジング４１０の外面４１２の重ねられた部分を形成するボリュート４０２の内面４０６の部分に存在し得る。搬送空気及び／又はガスに伝導された熱は、ボリュート４０２及び出口４４０を介してブロワハウジング４００から運び出される空気及び／又はガスによって、ブロワハウジング４００から取り除かれ得る。ボリュート４０２のヒートシンクの利点は、モーター４７０用の典型的な冷却ファンの省略を可能にし得る。例えば、ラジエータ４５０の機能と組み合わされたボリュート４０２のヒートシンクの利点は、モーター４７０用の典型的な冷却ファンを省くのに十分なモーターの冷却を可能とする。

ボリュート４０２がモーターハウジング４１０の一部に当接又は一部を形成する実施形態では、ブロワハウジング４００は、モーター冷却用のハイブリッドヒートシンクとして機能する。ボリュート４０２の内側断面の高アスペクト比の楕円形状により、ボリュート４０２を、低アスペクト比の設計よりも大幅にモーターハウジング４１０と接触又は統合することができ、最適化された空力性能をなおも可能にし得る。ボリュート４０２内の比較的高速の空気及び／又はガス流による強制対流熱伝達は、モーターハウジング４１０を介して伝導される熱の大部分を運び去る。モーターハウジング４１０の外面４１２上に配置されたラジエータ４５０によって等、モーターハウジング４１０を介した対流熱伝達は、モーター４７０によって生成された熱の残りを取り除くことができる。このハイブリッドヒートシンクは、既存のブロワ設計と比較して、ブロワの冷却ファンの省略により、寸法、コスト、及びノイズを低減することができる。

ボリュート４０２及びモーターハウジング４１０を利用するモーター４７０のハイブリッド冷却は、モーター４７０にとって良好な熱管理を提供し、燃料電池システムの下流にモーター４７０の熱を運び去る。ハイブリッド冷却は、冷却ファンを使用する従来の方法（モーターハウジング４１０内及びその周辺にモーター４７０から放散される熱をすべて残し、冷却ファンを用いてブロワ周囲から熱を取り除かなければならない）と比較して、より効率的にモーターハウジング４１０内の熱負荷を低減する。従来の冷却ファンがないと、ブロワの全体的な効率が改善され、ブロワに含まれる部品が少なくなるため、信頼性が向上し、コストが削減され、寸法をより小さくすることができる。

いくつかの代替の実施形態では、ボリュート４０２は、ボリュート４０２がモーターハウジング４１０と重ならないように配置され得る。したがって、ボリュート４０２は、実質的にインペラ４０６の一方の側（例えば、インペラ４０６の吸気側）に配置することができる。例えば、ボリュート４０２は、ボリュート入口チャネル４２４と重なる部分と、ブロワハウジング４００から、モーターシャフト４３０と平行な方向にモーターハウジング４１０と反対側に（away from）延びる部分とを有することができる。外側楕円形断面を有するボリュート４０２は、外側円形断面を有する（例えば、アスペクト比が１である）既存のブロワ設計と比較して、ブロワハウジング４００の全体的な外寸を減少させることができる。ボリュート４０２の外側楕円形断面のアスペクト比が大きいと、ブロワハウジング４００の全体的な外寸をより小さくすることができる。例えば、ブロワハウジング４００の全体的な外寸は、モーターシャフト４３０に垂直な寸法がより小さくなり得る。

出口４４０は、外面４４２及び内面４４４を含み得る。いくつかの実施形態では、出口４４０は、ボリュート４０２に連続するブロワハウジング４００の一部であってよい。例えば、出口４４０の外面４４２は、ボリュート４０２の外面４０４に連続してよく、出口４４０の内面４４４は、ボリュート４０２の内面４０６に連続してよい。いくつかの実施形態では、出口４４０は、ボリュート４０２と一体であってよい。いくつかの代替の実施形態では、出口４４０は、固定部品（図示せず）によってブロワハウジング４００に固定された構成要素であってよい。例えば、固定部品は、ねじ状締結具、クリップ、ピン、溶接、接着剤などであり得る。出口４４０は、様々な形状及び／又はサイズの断面を有し得る。出口４４０の内側断面及びボリュート４０２の楕円形断面は、出口４４０とボリュート４０２が流体的に結合される出口４４０の端部とボリュート４０２の端部で、実質的に同様であってよい。出口４４０の内側断面は、出口４４０がボリュート４０２に流体的に結合されている出口４４０の端部から遠位の出口４４０の端部に向かって次第に円形になってよい。いくつかの実施形態では、出口４４０の内側断面及び／又は外側断面は、ダクト、パイプ、又はホースなどの出口導管（図示せず）と結合するような寸法及び／又は形状であってよい。

いくつかの実施形態では、インペラシュラウド４２０は、インペラ５００が取り付けられ得るブロワハウジング４００のインペラ端部に固定可能に結合され得る。例えば、インペラシュラウド４２０は、ボリュート４０２の外面４０４に固定可能に結合され得る。例えば、インペラシュラウド４２０は、ねじ状締結具（例えば、ボルト）、ピン、クリップ、溶接、接着剤などの少なくとも１つの固定部品４２６によってブロワハウジング４００に固定可能に結合され得る。シュラウド４２０は、シュラウド４２０を通り抜けるブロワ入口チャネル４２８を部分的に形成し得る内面４２２を含むことができ、これは、ブロワハウジング４００への空気及び／又はガスの入口として機能し得る。ブロワ入口チャネル４２８は、インペラ５００と同軸であってよい。シュラウド４２０及びブロワハウジング４００は、モーターハウジング４１０とシュラウド４２０の内面４２２との間にボリュート入口チャネル４２４を形成し得る。ボリュート入口チャネル４２４は、シュラウド４２０の内面４２２によって形成されるブロワ入口チャネル４２８に流体的に結合され得る。空気及び／又はガスは、シュラウド４２０の内面４２２によって形成されるブロワ入口チャネル４２８及びボリュート入口チャネル４２４を通って、ボリュート４０２の流体輸送チャネル４０８へと運ばれ得る。

いくつかの実施形態では、インペラ５００は、モーターシャフト４３０に同軸に直接取り付けることができ、モーターシャフト４３０は、モーター４７０内へと延在し、モーター４７０によって回転され得る。図４Ａに示されるように、モーターシャフト４３０は、インペラ５００の取り付けチャネル４６２（すなわち、軸方向開口部）内に配置され得る。インペラ５００は、ねじ状締結具（例えば、ボルト）、ピン、クリップなどの固定部品４３２によってモーターシャフト４３０に固定することができる。インペラ５００をモーターシャフト４３０に直接取り付けることは、モーター４７０とインペラ５００との間の他の取り付け手段の、中間ギア又は他の回転運動伝達構成要素を省くことができる。インペラ５００をモーターシャフト４３０に直接取り付けることは、ブロワの空気力学及び機械的性能を犠牲にすることなく、モーターシャフトの長さを短縮することができる。モーター４７０は、永久磁石モーターであってよい。空気及び／又はガスは、シュラウド４２０の内面４２２によって形成されるブロワ入口チャネル４２８、ボリュート入口チャネル４２４、ボリュート４０２の流体輸送チャネル４０８及び出口を通って運ばれ得、少なくとも部分的に、インペラ５００によって推進され得る。

いくつかの実施形態では、モーターカバー４１６（図４Ａ及び４Ｂ）が、モーター４７０が取り付けられ得るブロワハウジング４００のモーター端部に固定可能に結合され得る。例えば、モーターカバー４１６は、モーターハウジング４１０の外面４１２に固定可能に結合され得る。例えば、モーターカバー４１６は、少なくとも１つの固定部品、例えば、ねじ状締結具、ピン、クリップ、溶接、接着剤などによって、ブロワハウジング４００に固定可能に結合され得る。

図５Ａ－５Ｃは、本開示の様々な実施形態に係るフルブレード５１０及びスプリッタブレード５２０の組み合わせを有するインペラ５００の実施例の様々な図を示す。図５Ａはインペラ５００の正面図であり、図５Ｂはインペラ５００の斜視図であり、図５Ｃはインペラ５００の側面図である。インペラ５００は、任意の数及び組み合わせのフルブレード５１０及びスプリッタブレード５２０を有することができる。フルブレード５１０及びスプリッタブレード５２０の数及び組み合わせは、インペラ５００の用途ごとに異なり得る。例えば、インペラ５００は、ＣＰＯｘブロワ１８０（例えば、システム始動のためのＣＰＯｘ用空気ブロワ）、システムブロワ１８２（例えば、燃料電池スタックに空気を供給するためのメイン空気ブロワ）、及び／又は、スタックからのアノード排気流を燃料吸入流に再循環させるアノードリサイクルブロワ１８４などのブロワに実装される。あるいは、ブロワは、上記の燃料電池システムとは異なるシステムで使用することができる。図５Ａ－５Ｃに示される実施例は、７枚のフルブレード５１０と７枚のスプリッタブレード５２０を１：１の比で有するインペラ５００を示す。これらの実施例は、特許請求の範囲又は説明を、このフルブレード５１０とスプリッタブレード５２０の比及び数に限定せず、任意の数及び組み合わせで実装することができる。例えば、インペラ５００は、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０を１：２又は２：１の比で有することができる。別の実施例では、インペラ５００は、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０をそれぞれわずか２枚含むことができ、フルブレード５１０及びスプリッタブレード５２０をインペラ５００が作動可能である枚数まで含むことができる。

インペラ５００は、図５Ａ及び５Ｂに示される周縁５０２、ハブ面５０４、締結面５０６、取り付け面５０８、及び、図５Ｃに示されるベース面５３０を有することができる。周縁５０２は、インペラ５００の外周を形成することができる。取り付け面５０８は、インペラ５００を貫いて延在し、インペラ５００を貫く同軸の取り付けチャネル（例えば、図４Ａに示される取り付けチャネル４６２）を形成することができる。例えば、取り付け面５０８は、ハブ面５０４とベース面５３０との間に延在し、ハブ面５０４とベース面５３０の両方に取り付けチャネルを形成することができる。別の実施例では、取り付け面５０８は、締結面５０６とベース面５３０との間に延在し、締結面５０６、ハブ面５０４、及びベース面５３０に取り付けチャネルを形成することができる。図５Ａに示されるインペラ５００は、そのハブ面５０４に面して、反時計回りに回転するように構成される。

ハブ面５０４は、周縁５０２と締結面５０６との間に配置され得る。ハブ面５０４の表面積は、締結面５０６から周縁５０２へと増加し得る。いくつかの実施形態では、ハブ面５０４は、締結面５０６と周縁５０２との間で直線状であってよい。例えば、ハブ面５０４は、締結面５０６と周縁５０２との間で直線状である円錐形を有し得る。いくつかの代替の実施形態では、ハブ面５０４は締結面５０６と周縁５０２との間で曲線状であってよい。例えば、ハブ面５０４は、締結面５０６と周縁５０２との間で取り付け面５０８に向かって湾曲する円錐形を有することができる。ベース面５３０は、周縁５０２と取り付け面５０８との間の、ハブ面５０４の反対側に配置することができる。いくつかの実施形態では、ベース面５３０は、周縁５０２と取り付け面５０８との間で実質的に平面であり得る。いくつかの実施形態では、ベース面５３０は、周縁５０２と取り付け面５０８との間で直線状である円錐形を有し得る。いくつかの実施形態では、ベース面５３０は、周縁５０２と取り付け面５０８との間で取り付け面５０８に向かって湾曲する円錐形を有し得る。

フルブレード５１０は、フィレット５１２、上縁５１４、前縁（例えば、ルート部）５１６、及び後縁５１８を有することができる。スプリッタブレード５２０は、フィレット５２２、上縁５２４、前縁５２６、及び後縁５２８を有することができる。いくつかの実施形態では、ブレード５１０，５２０は、フィレット５１２，５２２でハブ面５０４に連続するインペラ５００の一部であってよい。例えば、ブレード５１０，５２０のフィレット５１２，５２２は、インペラ５００のハブ面５０４に連続し得る。例えば、インペラ５００及びブレード５１０，５２０は、鋳造、機械加工、成形、３Ｄプリンティングなどによって、一体の連続した物体として形成され得る。

フルブレード５１０の前縁５１６は、締結面５０６に又はその近くに配置することができる。フルブレード５１０の後縁５１８は、周縁５０２に又はその近くに配置することができる。フルブレード５１０の上縁５１４は、前縁５１６と後縁５１８との間に配置することができる。
フルブレード５１０の傾斜角は、インペラ５００上の周方向（例えば、インペラ５００の回転方向）における、フルブレード５１０とハブ面５０４との間の角度であってよく、その例は、図６を参照して本明細書でさらに説明される。いくつかの実施形態では、後縁５１８でのフルブレード５１０の傾斜角は、約３５°～約４５°、例えば約４０°であり得る大きい傾斜角であってよい。いくつかの実施形態では、フルブレード５１０に沿った傾斜角は、例えば、前縁５１６と後縁５１８との間で、線形的に変化し得る。いくつかの実施形態では、フルブレード５１０に沿った傾斜角は、例えば、前縁５１６と後縁５１８との間で、非線形的に変化し得る。フルブレード５１０の後退角は、インペラ５００上の径方向（例えば、周縁５０２又は締結面５０６の方向）における、フルブレード５１０とハブ面５０４との間の角度であってよく、その例は、図７を参照して以下でさらに説明する。いくつかの実施形態では、後縁５１８でのフルブレード５１０の後退角は、約４５°以上、例えば、約５０°～６０°を含む約４５°～約６５°の大きい後退角であってよい。いくつかの実施形態では、フルブレード５１０に沿った後退角は、例えば、前縁５１６と後縁５１８との間で、線形的に変化し得る。いくつかの実施形態では、フルブレード５１０に沿った後退角は、例えば、前縁５１６と後縁５１８との間で、非線形的に変化し得る。

スプリッタブレード５２０は、フルブレード５１０の前縁５１６と後縁５１８との間の長さよりも短い、前縁５２６と後縁５２８との間の長さを有することができる。例えば、スプリッタブレード５２０の長さは、フルブレード５１０の長さの約２５％～約７５％、例えば５０％であってよい。スプリッタブレード５２０の前縁５２６は、締結面５０６と周縁５０２との間に配置され得る。スプリッタブレード５２０の後縁５２８は、周縁５０２に又はその近くに配置され得る。スプリッタブレード５２０の上縁５２４は、前縁５２６と後縁５２８との間に配置され得る。スプリッタブレード５２０の傾斜角は、インペラ５００上の周方向（例えば、インペラ５００の回転方向）における、スプリッタブレード５２０とハブ面５０４との間の角度であってよく、その例は、図６を参照して以下でさらに説明される。いくつかの実施形態では、後縁５２８でのスプリッタブレード５２０の傾斜角は、約３５°～約４５°、例えば約４０°であり得る大きい傾斜角であってよい。いくつかの実施形態では、スプリッタブレード５２０に沿った傾斜角は、例えば、前縁５２６と後縁５２８との間で、線形的に変化し得る。いくつかの実施形態では、スプリッタブレード５２０に沿った傾斜角は、例えば、前縁５２６と後縁５２８との間で、非線形的に変化し得る。スプリッタブレード５２０の後退角は、インペラ５００上の径方向（例えば、周縁５０２又は締結面５０６の方向）における、スプリッタブレード５２０とハブ面５０４との間の角度であってよく、その例は、図７を参照して以下でさらに説明する。いくつかの実施形態では、後縁５２８でのスプリッタブレード５２０の後退角は、約４５°以上、例えば、約５０°～６０°を含む約４５°～約６５°の大きい後退角であってよい。いくつかの実施形態ではスプリッタブレード５２０に沿った後退角は、、例えば、前縁５２６と後縁５２８との間で、線形的に変化し得る。いくつかの実施形態では、スプリッタブレード５２０に沿った後退角は、例えば、前縁５２６と後縁５２８との間で、非線形的に変化し得る。

インペラ５００は、遠心ブロワインペラであってよい。遠心ブロワインペラ５００は、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０の組み合わせを有し得る。ブレード５１０，５２０は、後縁５１８，５２８において大きい後退角を有することができ、ブレード５１０，５２０は、後縁５１８，５２８において大きな傾斜角を有することができ、ブレード５１０，５２０を遠心ブロワインペラ５００の回転方向に向かって傾ける。これらの３つの幾何学的特徴は、従来のインペラ設計と比較して、遠心ブロワインペラ５００の効率を改善することができる。さらに、遠心ブロワインペラ５００の回転方向に向かって大きい傾斜角を有するブレード５１０，５２０、及び、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０の組み合わせは、従来のインペラ設計と比較して、インペラ５００を通るガス流による騒音を低減することができる。

後縁５１８，５２８での大きな後退角及び後縁５１８，５２８で回転方向に向かって傾いた傾斜角を有するフルブレード５１０とスプリッタブレード５２０との組み合わせは、従来のインペラ設計と比較して、全作動範囲にわたる改善された効率と改善された騒音低減を提供し得る。フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０との組み合わせは、遠心ブロワインペラ５００によって駆動される空気及び／又はガス流のダイポール指向特性に影響を及ぼし、従来のインペラ設計と比較して騒音低減を改善することができる。例えば、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０との組み合わせは、空気及び／又はガス流のダイポール指向特性に影響を及ぼし、等しい長さのブレードを備えた従来のインペラ設計よりも大きな相殺的干渉領域を作り出すことができる。

さらに、フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０との組み合わせは、スプリッタブレード５２０の前縁５２６が、ハブ面５０４上のフルブレード５１０の前縁５１６と同じ位置まで延在しない結果、従来のインペラ設計と比較して、図４Ａ及び４Ｃに示されるブロワ入口（例えば、ブロワ入口チャネル）４２８での遠心ブロワインペラ５００によるブロッケージを低減することができる。フルブレード５１０とスプリッタブレード５２０との組み合わせから生じるブロワインペラ前縁（例えば、ハブ面５０４上のフルブレード５１０の前縁５１６の位置）でのより少ないブロッケージは、必要な流量に対してより小さなシュラウド４２０半径を可能にし得る。したがって、インペラの前縁速度を下げることができ、これにより、従来のインペラ設計と比較して損失とノイズを低減する。従来のインペラ設計は、ブロワ入口でより多くのブレードを使用することにより、インペラ５００よりも大きなブロッケージを有する可能性がある。したがって、従来のインペラ設計の前縁／ブロワ入口には、より大きいブレード表面積が存在する。インペラ５００は、空気及び／又は異なる燃料（例えば、バイオガス）及び／又は排気を含む異なるガスに対して、異なる一定の及び／又は可変の流量及びインペラ速度を含む様々な流量及び／又はインペラ速度（例えば、インペラ前縁速度）に対して構成することができる。例えば、図３に示される燃料電池システムが、天然ガス又はメタンを燃料として作動する場合には、インペラ５００は、比較的速い速度で作動することができる。対照的に、図３に示される燃料電池システムが、バイオガスを燃料として作動する場合には、インペラ５００は、上記速い速度よりも遅い、比較的遅い速度で作動することができる。図３に示される燃料電池システムが、バイオガスと天然ガス（又はメタン）の混合物を燃料として作動する場合には、インペラ５００は、上記比較的遅い速度よりも速いが上記速い速度よりも遅い中間の速度で作動することができる。

大きい傾斜角を有する後縁５１８，５２８を有するブレード５１０，５２０は、遠心ブロワインペラ５００からの伴流に、ブロワハウジング４００のボリュート舌部などの下流の構成要素をより弱い強度で通過させ、後縁に大きい傾斜角がない従来のインペラ設計と比較して騒音を改善することができる。例えば、下流の構成要素を通過する、大きい傾斜角を有するブレード５１０，５２０からの伴流のタイミングは、伴流の建設的干渉を少なくし、下流の構成要素を通過する伴流の強度を低減することができる。大きい後退角を有する後縁５１８，５２８を有するブレード５１０，５２０は、伴流などの騒音源の変動強度を弱めることができ、これはまた、後縁に大きい後退角を持たない従来のインペラ設計と比較して騒音を低減することができる。

締結面５０６は、固定部品（例えば、図４Ａ及び４Ｃの固定部品４３２）と共同して使用して、インペラ５００をモーターシャフト（例えば、図４Ａのモーターシャフト４３０）に固定可能に取り付けるように構成することができる。モーターシャフト４３０は、取り付け面５０８によって形成される取り付けチャネル４６２を介してベース面５３０及びハブ面５０４を通って延びることができる。いくつかの実施形態では、モーターシャフトは、取り付け面５０８によって形成される取り付けチャネル４６２を介して、締結面５０６の中へ又はそれを通って延びることができる。

図６は、本開示の様々な実施形態に係るインペラ５００の図５Ａ－５Ｃのフルブレード５１０又はスプリッタブレード５２０などのブレード（例えば、ベーン）の傾斜角のプロットダイヤグラム６００を示す。プロットダイヤグラム６００は、インペラの回転方向の傾斜角と、子午面距離の分率との比較をプロットしたものである。子午面距離の分率は、距離０と距離１との間の、インペラ（例えば、図５Ａ－５Ｃのハブ面５０４）上の点とすることができる。いくつかの実施形態では、距離０は、インペラの締結面（例えば、図５Ａ－５Ｃの締結面５０６）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離０は、ブレードの前縁（例えば、図５Ａ－５Ｃで、フルブレード５１０の場合はルート部又は前縁５１６、又はスプリッタブレード５２０の場合はルート部又は前縁５２６）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離１は、インペラの周縁（例えば、図５Ａ－５Ｃの周縁５０２）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離１は、ブレードの後縁（例えば、図５Ａ－５Ｃで、フルブレード５１０の場合は後縁５１８、スプリッタブレード５２０の場合は後縁５２８）とすることができる。

プロットダイヤグラム６００は、ブレードのプレッシャ側（例えば、ブレードの、インペラの回転方向に向く側）の傾斜角のプロット６０２、ブレードのサクション側（例えば、ブレードの、インペラの回転方向と反対に向く側）の傾斜角のプロット６０６、及びプロット６０２，６０６の平均のプロット６０４を含む。図６に示される実施例では、プロット６０２，６０４，６０６は、子午面距離の分率が増加するにつれて、ブレードの傾斜角が概ね増加し得ることを示す。プロット６０２，６０４，６０６は、ブレードの傾斜角が非線形的に増加し得ることを示す。距離０では、ブレードの平均傾斜角は約０°であってよい。例えば、ブレードの平均傾斜角は約０°であってよく、プレッシャ側のブレードの傾斜角は約４°であってよく、サクション側のブレードの傾斜角は約－２°であってよい。距離１では、ブレードの平均傾斜角は約４０°であってよい。例えば、ブレードの平均傾斜角は約４０°、プレッシャ側のブレードの傾斜角は約４１°、サクション側のブレードの傾斜角は約３８°であってよい。

図７は、本開示の様々な実施形態に係るインペラ（例えば、図５Ａ－５Ｃのインペラ５００）のブレード（例えば、フルブレード５１０）のブレード角（blade angle）のプロットダイヤグラム７００を示す。プロットダイヤグラム７００は、ブレード角と、子午面距離の分率との比較をプロットしたものである。子午面距離の分率は、距離０と距離１との間の、インペラ（例えば、図５Ａ－５Ｃのハブ面５０４）上の点とすることができる。いくつかの実施形態では、距離０は、インペラの締結面（例えば、図５Ａ－５Ｃの締結面５０６）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離０は、ブレードの前縁（例えば、図５Ａ－５Ｃのフルブレード５１０の前縁５１６）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離１は、インペラの周縁（例えば、図５Ａ－５Ｃの図１の周縁５０２）とすることができる。いくつかの実施形態では、距離１は、ブレードの後縁（例えば、図５Ａ－５Ｃのフルブレード５１０の後縁５１８）とすることができる。

プロットダイヤグラム７００は、ハブ面（例えば、図５Ａ－５Ｃのハブ面５０４）でのフルブレード５１０のブレード角のプロット７０２と、上縁（図５Ａ－５Ｃの上縁５１４）でのフルブレード５１０のブレード角のプロット７０４とを含む。一実施形態では、上縁でのフルブレード５１０のブレード角の絶対値は、ブレード５１０の後縁５１８を除いて、ハブ面でのフルブレード５１０のブレード角の絶対値よりも大きくすることができる。ブレード５１０の後縁５１８では、ブレード角の絶対値を等しくすることができる。

図７に示される実施例では、プロット７０２，７０４は、フルブレード５１０の後縁５１８における、ハブ面及び上縁でのブレード角が、後退角であり得ることを示す。プロット７０２，７０４は、ブレードの後退角の絶対値が、距離１及びその近傍（すなわち、インペラの周囲面５０２）で、一般に、大きくなり得ることを示している。例えば、距離１での後退角は約－５０°であり得る。プロット７０２，７０４は、ブレードの角度が、概ね、距離０．８と距離１との間で、一般に、最も急増し得ることを示す。言い換えれば、ブレードの角度は、後縁及びその近傍で大きくなり得る。

プロット７０２，７０４は、ブレードのブレード角が非線形的に変化し得ることを示す。プロット７０２は、ハブ面でのフルブレード５１０のブレード角が、距離０及びその近傍で、０．２～０．７の距離域（すなわち、距離０及びその近傍と、距離１及びその近傍との間の距離域）のブレード角よりも大きくなり得るが、距離１及びその近傍でのフルブレード５１０の大きい角度ほどにはなり得ないことを示す。プロット７０４は、上縁でのフルブレード５１０のブレード角が、概ね、距離０．５及びその近傍で、距離０．５及びその近傍と、距離１及びその近傍との間の距離域のブレード角よりも大きく、距離１及びその近傍のフルブレード５１０の後退角とほぼ同じくらいの大きさになり得ることを示す。

いくつかの実施形態では、ダイヤグラム７００及びプロット７０２，７０４の説明は、プロットが０ではなく、０．５などの０より大きい値で開始することを除いて、スプリッタブレード５２０のブレード角について同様に説明することができる。

ブロワハウジング（例えば、図４Ａ－４Ｄに示されるブロワハウジング４００）とスプリッタブレードインペラ（例えば、図５Ａ－５Ｃに示されるインペラ５００）との組み合わせを使用したブロワの性能は、同様の寸法の従来のブロワと比較して、著しく高い効率、モーターから外への熱伝達の改善、より広い作動範囲、より大きな容量、及び、より低速度での運転を提供する。スプリッタブレードインペラの特徴はまた、ブロワの騒音レベルを下げることができる。したがって、ブロワは、全作動範囲にわたって著しく高い効率を提供することができ、従来技術のブロワよりもはるかに低い運転速度で同じ流量及び圧力上昇を達成することができる。

開示した態様の前述の説明は、当業者が本発明を成すか又は使用できるようにするために提供される。これらの態様に対する様々な変更は当業者には容易に明らかであり、本明細書に明記される包括的な原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示した態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (20)

1. モーターハウジング内に位置するモーターと、
   インペラと、
   ボリュートと、を含み、
   前記ボリュートは、作動中に前記ボリュートが前記モーターを能動的に冷却するよう構成されるように、前記モーターハウジングに直接接触する、遠心ブロワ。
2. モーターハウジングは、その外面にフィン付きラジエータを含み、前記ボリュートは、前記ボリュートの壁が前記モーターハウジングの一部を形成するように、前記フィン付きラジエータに接触する、請求項１に記載の遠心ブロワ。
3. 前記インペラは、前記モーターのシャフトに直接取り付けられ、
   前記ボリュートは、前記モーターシャフトの前記シャフトに平行な方向に、前記シャフトに垂直な方向の前記ボリュートの高さよりも少なくとも２倍幅広の楕円形状を有し、
   前記ボリュートの前記フィン付きラジエータに接触する部分は、径方向外側に位置して、前記フィン付きラジエータの少なくとも一部を取り囲む、請求項２に記載の遠心ブロワ。
4. 前記モーターは冷却ファンがない、請求項２に記載の遠心ブロワ。
5. 前記ボリュートは、前記モーターハウジングの少なくとも２０％に重なって、接触する、請求項１に記載の遠心ブロワ。
6. 前記ボリュートは、前記インペラの反対側に、前記モーターハウジングを実質的に覆って配置される、請求項５に記載の遠心ブロワ。
7. 前記ボリュートは、前記インペラを取り囲むボリュート入口チャネルと重なる第１の部分と、前記モーターハウジングと重なって直接接触する第２の部分とを備える、請求項６に記載の遠心ブロワ。
8. 前記インペラは、
   前記インペラの表面上の複数のフルブレードと、前記インペラの表面上の複数のスプリッタブレードと、を含み、
   複数の前記フルブレードのそれぞれが第１の長さを有し、
   複数の前記スプリッタブレードのそれぞれが、前記第１の長さよりも短い第２の長さを有する、請求項１に記載の遠心ブロワ。
9. 複数の前記フルブレードのそれぞれは、前記インペラの周縁に配置された後縁を含み、前記後縁は、前記インペラの回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角を含み、
   複数の前記スプリッタブレードのそれぞれは、前記インペラの前記周縁に配置された後縁を含み、前記後縁は、前記インペラの前記回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角を含む、請求項８に記載の遠心ブロワ。
10. 複数の前記フルブレードのそれぞれの前記後縁は、４５°～６５°の後退角を含み、
    複数の前記スプリッタブレードのそれぞれの前記後縁は、４５°～６５°の後退角を含み、
    前記スプリッタブレードの長さの大部分の前記後退角の絶対値は、前記フルブレードの長さの大部分の前記後退角の絶対値よりも大きい、請求項９に記載の遠心ブロワ。
11. 燃料電池スタックと、
    請求項１に記載の遠心ブロワと、を含む燃料電池システム。
12. 請求項１に記載の遠心ブロワを作動させる方法であって、
    前記遠心ブロワを作動させて空気を吹き込むステップ；及び
    前記ボリュートを通って流れる空気を利用して、前記ブロワの作動中に前記モーターを能動的に冷却するステップ、を含む方法。
13. モーターシャフトを含むモーターと、
    前記モーターシャフトに直接取り付けられたインペラと、
    ボリュートと、を含む遠心ブロワ。
14. 前記モーターはモーターハウジング内に位置し、前記ボリュートは前記モーターハウジング及び前記モーターシャフトを少なくとも部分的に取り囲む、請求項１３に記載の遠心ブロワ。
15. 前記ボリュートは、作動中に前記ボリュートが前記モーターを能動的に冷却するよう構成されるように、前記モーターハウジングに直接接触する、請求項１４に記載の遠心ブロワ。
16. 前記ボリュートは、前記モーターシャフトの前記シャフトに平行な方向に、前記シャフトに垂直な方向の前記ボリュートの高さよりも少なくとも２倍幅広の楕円形状を有し、
    前記ボリュートの前記モーターハウジングに接触する部分は、径方向外側に位置して、前記モーターハウジングの少なくとも一部を取り囲む、請求項１５に記載の遠心ブロワ。
17. 前記インペラの表面上の複数のフルブレードと、前記インペラの前記表面上の複数のスプリッタブレードと、を含み、
    複数の前記フルブレードのそれぞれが第１の長さを有し、
    複数の前記スプリッタブレードのそれぞれが、前記第１の長さよりも短い第２の長さを有する、インペラ。
18. 複数の前記フルブレードのそれぞれは、前記インペラの周縁に配置された後縁を含み、前記後縁は前記インペラの回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角を含み、
    複数の前記スプリッタブレードのそれぞれは、前記インペラの前記周縁に配置された後縁を含み、前記後縁は前記インペラの前記回転方向に向かって３５°～４５°の傾斜角を含む、請求項１７に記載のインペラ。
19. 複数の前記フルブレードのそれぞれの前記後縁は、４５°～６５°の後退角を含み、
    複数の前記スプリッタブレードのそれぞれの前記後縁は、４５°～６５°の後退角を含む、請求項１８に記載のインペラ。
20. 前記スプリッタブレードの長さの大部分の前記後退角の絶対値は、前記フルブレードの前記長さの大部分の前記後退角の絶対値よりも大きい、請求項１９に記載のインペラ。

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