JP5001665B2 - Fan for blowing high temperature fuel gas in solid oxide fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池プロセスに適用する高温燃料ガス送風用ファンに関する。 The present invention relates to a high-temperature fuel gas blowing fan to be applied to the solid body oxide fuel cell process.
各種熱処理炉や焼成炉においては、炉内ガスを循環あるいは撹拌し、炉内温度の均一化や加熱効率の向上を図る目的で高温ガス送風用ファンが用いられることがある。 In various heat treatment furnaces and firing furnaces, a high-temperature gas blowing fan may be used for the purpose of circulating or stirring the furnace gas to make the furnace temperature uniform and improve the heating efficiency.
固体酸化物型燃料電池プロセスにおいては、発電に必要な作動温度が700〜1000℃であるため、燃料となる水素及び一酸化炭素の供給源である天然ガスや石炭ガスなどの燃料ガスを700〜1000℃に加熱して燃料電池の燃料極に供給している。
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。
In the solid oxide fuel cell process, since the operating temperature required for power generation is 700 to 1000 ° C., fuel gas such as natural gas or coal gas, which is a supply source of hydrogen and carbon monoxide, serving as fuel is 700 to It is heated to 1000 ° C. and supplied to the fuel electrode of the fuel cell.
Rather than supplying this fuel gas directly to the fuel electrode and reacting it, it is better to react high-temperature fuel gas with water vapor as shown in the following equation to produce pure hydrogen, so-called steam reforming and then supplying it to the fuel electrode It has been pointed out that reaction efficiency is improved and power generation efficiency is increased.
(Reaction formula of steam reforming) CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2
In order to perform steam reforming, it is necessary to humidify the fuel gas. However, when humidifying using industrial water or household water, impurities contained in the water contaminate or corrode the fuel cell body, and have a fatal adverse effect on the performance and durability of the fuel cell body. Also, it was not practical to install a device for completely removing the impurities in the supply water line because of problems in installation space and initial investment.
固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガスが供給される燃料極側に水素と酸素との反応生成物である水が生成する。すなわち前記燃料極に供給される燃料ガスは燃料極で反応する際、同時に前記生成水によって加湿される。該生成水は不純物を含有していないため、前記の加湿された燃料ガスを循環再利用することができれば、燃料ガスの加湿による水蒸気改質が反応前に可能となり発電効率の増大が実現する。
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。
In a solid oxide fuel cell, water, which is a reaction product of hydrogen and oxygen, is generated on the fuel electrode side to which fuel gas is supplied. That is, when the fuel gas supplied to the fuel electrode reacts at the fuel electrode, it is humidified by the generated water at the same time. Since the generated water does not contain impurities, if the humidified fuel gas can be circulated and reused, steam reforming by humidification of the fuel gas becomes possible before the reaction, and an increase in power generation efficiency is realized.
In addition, the fuel gas heated to 700 to 1000 ° C. supplied to the fuel electrode cannot react with all the hydrogen and carbon monoxide that can be reacted in a single contact with the fuel electrode. By circulating and reusing the fuel gas, the fuel gas can be used efficiently, and the sensible heat of the fuel gas can be reused. In this respect as well, the power generation efficiency increases.
For the aforementioned reasons, it has been seriously studied to apply a high-temperature gas blowing fan to the solid oxide fuel cell process to circulate the high-temperature fuel gas.
一方、高温燃料ガスの温度を熱交換器などによって100℃程度まで下げて、100℃まで使用可能な通常のファンによって燃料ガスを昇圧し、その後該燃料ガスを再び作動温度の700〜1000℃に加熱する構成も一応考えられるが、熱損失と熱交換器のコストおよび設置スペースを考えると、この構成も全く現実的ではなかった。 On the other hand, the temperature of the high-temperature fuel gas is lowered to about 100 ° C. by a heat exchanger or the like, the pressure of the fuel gas is increased by a normal fan that can be used up to 100 ° C., and then the fuel gas is again set to the operating temperature of 700 to 1000 ° C. Although a heating configuration is conceivable, this configuration is not practical at all in view of heat loss, heat exchanger cost, and installation space.
固体酸化物型燃料電池プロセス等に高温ガス送風用ファンを適用する場合、次の条件が、満足される必要がある。
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。
When applying a hot gas blowing fan to a solid oxide fuel cell process or the like, the following conditions must be satisfied.
1) Hot fuel gas is flammable and can be lethal in some processes, so hot fuel gas should not leak out of the system.
2) The utility must not be used other than the DC power supplied from the fuel cell system itself because it may be used as a distributed power source in remote areas and the fuel cell system itself is simplified. The amount used must be about 5% or less of the amount of power generated.
3) It must be compact because it is installed as a distributed power source in ordinary homes and small apartment buildings.
4) The initial investment is small. Specifically, 5% or less of the sales price of the fuel cell system is desirable.
5) In order to prevent dew condensation of the high temperature fuel gas, the temperature of the portion exposed to the high temperature fuel gas should always be higher than the dew point temperature.
上述したように、固体酸化物型燃料電池プロセスにおいて、高温燃料ガスを外部に漏洩させないことは、安全面および経済性の観点から重要である。
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。
As described above, in the solid oxide fuel cell process, it is important from the viewpoint of safety and economy that the high temperature fuel gas is not leaked to the outside.
Conventionally, as a shaft sealing method for a high-temperature gas blower fan, a first shaft sealing device is inserted through a rotating shaft between a cooling unit disposed between a heat insulating layer and a bearing and the bearing, and is rotated. In general, a second shaft sealing device is inserted through the rotating shaft between a second bearing mounted on the motor side of the shaft and a shaft coupling provided at the shaft end of the rotating shaft. As the first and second shaft seal devices, a gland packing, an oil seal, an O-ring, a labyrinth, a mechanical seal, and the like are used.
これらの軸封装置の内、グランドパッキン、オイルシール、Oリングについてはゴム、合成樹脂を素材としているため、ガス性状、温度に敏感で、数年に渉る寿命は期待できない。特に固体酸化物型燃料電池プロセス等においては、プロセスガスである高温燃料ガスが水素や一酸化炭素を含有しているため還元性が強くこれらゴム、合成樹脂系のシール技術は信頼性が乏しい。
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。
Among these shaft seal devices, the gland packing, oil seal, and O-ring are made of rubber and synthetic resin, so they are sensitive to gas properties and temperature and cannot be expected to last for several years. Particularly in a solid oxide fuel cell process or the like, since the high-temperature fuel gas that is a process gas contains hydrogen and carbon monoxide, the rubber and synthetic resin-based sealing technology has poor reliability because of high reducibility.
As for the labyrinth and the mechanical seal, the internal process gas is not leaked to the outside. Therefore, it is necessary to push back with the purge gas at all times, and it is inevitable that the purge gas is mixed into the internal process gas. In a solid oxide fuel cell process or the like, the purity of a process gas is very important in terms of process performance, and generally a purge gas is not allowed to be mixed. In the case of a solid oxide fuel cell process or the like, if a purge gas is used, it is considered that an expensive inert gas such as nitrogen or helium is used. However, utility costs increase, resulting in an increase in unit price of power generation. . Further, in the case of a solid oxide fuel cell or the like installed as a distributed power source in a general household or a small apartment house, problems such as purge gas cylinder space, safety management, and replenishment occur, which is not realistic.
As described above, a compact and simple complete gastight shaft seal device without using a utility other than a power source has not been practically present.
インペラを片持ち式に支持するよう回転軸に装着された軸受を長期間良好な状態で使用し得る軸受部耐熱温度は、軸受の潤滑に使用されるグリスなどの潤滑材の耐熱温度の制約により約150℃とされており、インペラから回転軸を通じて、更にインペラと軸受との間に配置される断熱層を通じて伝熱される熱流束を抜熱し、軸受部温度を所定温度以下に冷却する必要がある。ここで言う抜熱とは熱流束を受熱し熱放散することを言う。 The bearing heat resistance temperature at which the bearing mounted on the rotating shaft to support the impeller in a cantilevered manner can be used in good condition for a long time is limited by the heat resistance temperature of the lubricant such as grease used for lubricating the bearing. The temperature is about 150 ° C., and it is necessary to extract the heat flux transferred from the impeller through the rotating shaft and further through the heat insulating layer disposed between the impeller and the bearing, and to cool the bearing portion temperature to a predetermined temperature or less. . The heat removal referred to here means receiving heat flux and dissipating heat.
その手段として、従来の高温ガス送風用ファンにおいては、高温ガスと直接接触するインペラと軸受との間に、回転軸と同軸且つ非接触の状態で、更に軸受の外輪と直接接触する状態で水冷ジャケットを設け、該水冷ジャケットに例えば30℃以下に冷却された冷却水を供給して水冷ジャケット表面温度を例えば50℃以下に維持し回転軸を輻射冷却し、且つ軸受を水冷ジャケットと軸受外輪との間の熱伝導で冷却する方法が一般的に採用されている。また、回転軸および軸受に例えば30℃以下に冷却された潤滑油を直接接触させることにより、潤滑しながら抜熱する方法がとられることもある。 As a means for this, in the conventional hot gas blowing fan, water cooling is performed between the impeller and the bearing that are in direct contact with the hot gas, in a state of being coaxial and non-contact with the rotating shaft and in direct contact with the outer ring of the bearing. A jacket is provided, cooling water cooled to, for example, 30 ° C. or less is supplied to the water-cooling jacket, the surface temperature of the water-cooling jacket is maintained at, for example, 50 ° C. or less, and the rotating shaft is radiatively cooled. A method of cooling by heat conduction between the two is generally employed. In addition, there may be a method of removing heat while lubricating by directly contacting the rotating shaft and the bearing with a lubricating oil cooled to, for example, 30 ° C. or less.
しかしながら、これら従来の冷却方法においては、抜熱媒体である水あるいは潤滑油を循環供給させるためのポンプなどの装置と該抜熱媒体を冷却する冷却装置およびそれらの装置をつなぐ配管が必要なため全体システムが複雑となり、設置スペースのコンパクト化の妨げとなる欠点を有しており、特に一般家庭や小規模集合住宅などに分散電源として設置される固体酸化物型燃料電池においては高温ガス送風用ファン導入の大きな阻害要因であった。
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。
However, these conventional cooling methods require a device such as a pump for circulating and supplying water or lubricating oil as a heat removal medium, a cooling device for cooling the heat removal medium, and piping connecting these devices. The entire system is complicated and has the disadvantage of hindering compact installation space, especially for solid oxide fuel cells installed as distributed power sources in ordinary homes and small-scale apartments, etc. It was a major impediment to fan introduction.
In solid oxide fuel cells using natural gas as fuel, the dew point of the fuel gas, that is, the process gas, is about 70 ° C., so the heat removal medium such as low-temperature water or lubricating oil is used as described above. As a result, overcooling occurs, condensation is formed in the vicinity of the cooling part such as a water-cooled jacket, and the bearing is deteriorated, and the fuel cell body deteriorates due to corrosion, elution and scattering of contaminants derived from condensation of moisture. There was a problem that had a fatal adverse effect on durability.
また抜熱媒体である水や潤滑油の劣化に対する対応や減量分の補給などの必要もあり、例えば24時間×365日×3年間ノーメンテナンスでの連続運転などは実現困難と考えられていた。
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。
In addition, it is necessary to cope with the deterioration of water and lubricating oil as a heat removal medium and to supply a reduced amount. For example, continuous operation without maintenance for 24 hours × 365 days × 3 years has been considered difficult.
Furthermore, when the power supply of a device such as a pump that circulates and supplies the heat removal medium fails, or when the device itself fails and the heat removal medium supply stops, heating of the hot gas is stopped by an electrical control mechanism However, there is a possibility that the shaft seal device and the bearing may be fatally damaged depending on the amount of heat stored in the high-temperature gas at 700 to 1000 ° C. inside the device or the heat insulating material heated to a high temperature.
またシール構造は現実的でなくなるが、概念的には冷却扇を用いて回転軸及び軸受を直接空冷する方法も考えられる。しかし、抜熱の能力を表す熱伝達率が水の場合1000〜3000w/m2Kであるのに対し、空気の場合10〜30w/m2Kと非常に小さい。水冷と同等の冷却効果を空冷で実現するには抜熱部の面積を水冷の場合の約100〜300倍とする必要があり、回転軸や軸受周辺の限られたスペースに該抜熱部を設置することは実現困難であった。 Further, although the seal structure is not practical, a method of conceptually cooling the rotating shaft and the bearing directly using a cooling fan is also conceivable. However, the heat transfer coefficient representing the heat removal capability is 1000 to 3000 w / m 2 K in the case of water, whereas it is very small as 10 to 30 w / m 2 K in the case of air. In order to realize a cooling effect equivalent to water cooling by air cooling, the area of the heat removal portion needs to be about 100 to 300 times that in the case of water cooling, and the heat removal portion is placed in a limited space around the rotating shaft and the bearing. It was difficult to install.
特許文献1は前述の従来の技術の問題点を技術的には全て解決しているが、部品点数が多く量産時のコストにおいて問題がある。
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。
The target cost for mass production of solid oxide fuel cells is assumed to be $ 1000 per 1kW of power generation. Assuming a 5 kW fuel cell that is expected to be popular for home use etc., the cost is $ 5000, and the cost of the hot gas blowing fan used in the system is less than $ 250, which corresponds to 5% or less of the fuel cell cost. It is necessary to realize. In order to realize the above-mentioned cost at the time of mass production, it is fatal that the number of parts is large.
本発明の目的は、前述の従来技術の問題点を解決し、固体酸化物型燃料電池の高温燃料ガス送風用ファンを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the problems of the aforementioned prior art, to provide a hot fuel gas blowing fan of the solid oxide fuel cell.
本発明は、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熱伝導性の軸受箱と、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前記軸受箱内に片持ち支持により配設され、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、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置され、かつ、軸受箱冷却用ヒートシンクが軸受箱に直接または前記密閉用フランジを介して配設されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の高温燃料ガスの送風用ファンである。
The present invention includes a heat-resistant impeller that is cantilevered on a rotating shaft, a thermally conductive bearing box that supports a bearing of the rotating shaft, and a heat insulating block that is disposed between the impeller and the bearing box. A high-temperature gas blowing fan comprising:
The rotor of the motor is disposed at the shaft end opposite to the impeller of the rotating shaft by cantilever support in the bearing housing, and the stator of the motor disposed in a non-contact state with the rotor on the outer periphery of the rotor A bearing flange is supported and fixed to the inner peripheral portion of the bearing box, and a sealing flange is disposed at an end of the bearing box opposite to the impeller, and a bearing box cooling heat sink is directly or via the sealing flange. A fan for blowing high-temperature fuel gas in a solid oxide fuel cell, wherein the fan is disposed.
本発明の好ましい実施形態は、前記密閉用フランジに、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 A preferred embodiment of the present invention, the in sealing flange, holes for guiding a power line of the motor and / or a cable for signal lines to the outside and is disposed, the cable and the inner peripheral portion of the hole The high-temperature gas blown by the rotation of the impeller is hermetically sealed against the outside by hermetically fixing the gap between
さらに、本発明の好ましい実施形態は、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。前記気密性隔壁としては樹脂製のものが好ましく使用できる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, a nonmagnetic and nonconductive hermetic partition wall is disposed in a hermetic partition in a radial gap between the rotor and the stator, and the rotor is disposed in the hermetic partition wall. It is characterized by providing. As the airtight partition wall, a resin-made partition wall can be preferably used.
本発明によれば電源以外のユーティリティを用いずに簡便で完全ガスタイトな高温ガスのシール構造が得られるので、高温ガス送風用ファンの部品点数を大幅に削減し、量産時のコストダウンが可能となる。 According to the present invention, a simple and completely gas tight high temperature gas sealing structure can be obtained without using a utility other than a power source, so the number of parts of the high temperature gas blowing fan can be greatly reduced, and the cost during mass production can be reduced. Become.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に従って説明する。図1は本発明の第一の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。図1において、1は回転軸、2はインペラ、3はインペラ側軸受、4は反インペラ側軸受、5は断熱ブロック、6は軸受箱、7はローター、8はステーター、9は密閉用フランジ、10は回転制御用センサー、11は回転制御用マグネット、12はステーター接続ケーブル、13はセンサー接続ケーブル、14は吸い込み口、15は吐き出し口、16はケーシング、17はシール用パッキン、18はケーブル引き出し穴、19は断熱層、20は断熱ブロック固定プレートを示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view of a hot gas blowing fan showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a rotating shaft, 2 is an impeller, 3 is an impeller side bearing, 4 is an anti-impeller side bearing, 5 is a heat insulating block, 6 is a bearing box, 7 is a rotor, 8 is a stator, 9 is a sealing flange, 10 is a rotation control sensor, 11 is a rotation control magnet, 12 is a stator connection cable, 13 is a sensor connection cable, 14 is a suction port, 15 is a discharge port, 16 is a casing, 17 is a seal packing, and 18 is a cable drawer A hole, 19 is a heat insulating layer, and 20 is a heat insulating block fixing plate.
図1において、高温ガスは吸い込み口14から吸い込まれ回転翼とディスクからなるインペラ2の回転により昇圧されて吐き出し口15から吐き出される。そのため、インペラ2の温度は高温ガス温度と同等の例えば700℃以上の温度レベルに達する。そのような高温下で高速回転するため、特にインペラ2の回転翼の根元部分に大きな遠心応力が発生する。
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。
In FIG. 1, the hot gas is sucked from the
Moreover, since the high-temperature fuel gas, which is a high-temperature gas in the case of the solid oxide fuel cell process, contains 30 to 50% of water vapor by volume, consideration must be given to deterioration of material strength due to high-temperature steam oxidation.
よって高温ガスと直接接触するインペラ2、あるいはインペラ2及び回転軸1は、高温強度が高く高温水蒸気酸化に対する耐性に優れる材料で構成される必要がある。本実施例においてはFe−Ni−Cr系合金であるインコロイ800H(商品名)をインペラ2及び回転軸1に採用しているが、Ni−Cr−Co系合金などが使用される場合もある。またより好ましくは、気孔率が10%以下の緻密質の炭化珪素や窒化珪素やサイアロン(登録商標)などのセラミックスが採用される。
Therefore, the
断熱ブロック5は、送風される高温ガスから軸受箱6への伝熱量を極力小さくし、高温ガスの温度低下及び軸受箱6の温度上昇を低減させるため低熱伝導率の材質が望ましい。本実施例では耐火断熱レンガが採用されているが、セラミックスファイバーの成型品などが使用される場合もある。
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。
The
In the present embodiment, the
軸受箱6は高温ガスから軸受箱6に伝達された熱量を効率よく外部に放散するため高熱伝導率の材質が好ましい。また、軸受箱6は回転軸1の軸受(インペラ側軸受3及び反インペラ側軸受4)やモーターのステーター8が取り付け可能な機械的強度を有する材質が好ましい。本実施例では銅を採用しているがこれに限定されない。例えば、銅合金やアルミ合金が使用される場合もある。アルミ合金の場合、熱伝導率において銅に劣るがアルミダイカストなどの工法で安価で製作可能なため量産コストにおいて優位性をもつ。
The
本発明において、回転軸1は軸受箱6にインペラ側軸受3及び反インペラ側軸受4で支持されることが好ましい。このように一定距離離れた2個の軸受で支持することにより、回転軸1の軸受箱6への取り付けを安定させることができる。インペラ2は軸受箱6に支持された回転軸1に片持ち支持される。そして、回転軸1のインペラ2とは反対側の軸端にモーターのローター7を配設し、モーターのステーター8をローター7の外周部にローターと非接触の状態で前記軸受箱6の内周部に支持固定することによりモーターを構成する。かくして、回転軸1がモーターの駆動軸となり、インペラ2のモーターを軸受箱6に内臓して形成できる。
In the present invention, the
軸受箱6に配置されたモーターのローター7とステーター8は本実施例においてはDCブラシレスモーターを採用しているが、交流モーターが採用される場合もある。
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。
In the present embodiment, a DC brushless motor is used for the
In the present embodiment, a hall sensor including a
本実施例と特許文献1とを比較すると、本実施例の場合、モーターを構成するローター7とステーター8を軸受箱6に内蔵しているため形状がコンパクトになるばかりでなく、モーターの回転軸、軸受、モーター回転軸とファン回転軸とをつなぐ軸継ぎ手、モーター用ケースが不要となるため部品点数が大幅に減少し量産コスト面で非常に有利となる。
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。
When this embodiment is compared with
In this embodiment, the fan rotational speed is set to a very high rotational speed of 20000 rpm in order to make the shape more compact. In order to rotate the fan at such a high rotational speed, it is necessary to adjust the balance of the rotating body with high accuracy. High-accuracy balance adjustment has a higher cost than that of general accuracy. Since the motor rotation shaft is not required, the balance adjustment can be performed only by adjusting the fan shaft. This point also has a great effect on mass production costs.
図2は本実施例の高温ガス送風用ファンの正面図(図1の左側面図)を示す。図2において、2はインペラ、14は吸い込み口、15は吐き出し口である。
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。
FIG. 2 shows a front view (left side view of FIG. 1) of the hot gas blowing fan of this embodiment. In FIG. 2, 2 is an impeller, 14 is a suction port, and 15 is a discharge port.
A portion including the
図3は本発明の第二の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。図3において、6は軸受箱、21はヒートシンクを示す。本実施例の説明で使用しない、図1と同じ部品については符号を割愛してある。
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。
FIG. 3 is a side sectional view of a hot gas blowing fan showing a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, 6 is a bearing box and 21 is a heat sink. The same parts as those in FIG. 1 that are not used in the description of the present embodiment are omitted.
In the present embodiment, since the motor portion is built in the bearing
On the other hand, in the case of the high-temperature gas blowing fan of
図4はヒートシンク21の正面図(図3の右側面図)である。図において、22はヒートシンク21の外面(密閉用フランジ9の反対側面)に突出して設けられた放熱用のピンを示す。本実施例では多数のピン22から構成されるヒートシンク21を採用しているが、ヒートシンクの構成方式はピンタイプに限らずフィンを積層したタイプ、ピンとフィンを組み合わせたタイプなども有効である。
FIG. 4 is a front view of the heat sink 21 (right side view of FIG. 3). In the figure,
図5は本発明の第三の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。図において、9は密閉用フランジ、12はステーター接続ケーブル、13はセンサー接続ケーブル、17はシール用パッキン、18はケーブル引き出し穴、23はケーブル用シール材を示す。本実施例の説明で使用しない、図1と同じ部品については符号を割愛してある。
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。
FIG. 5 is a side sectional view of a high temperature gas blowing fan showing a third embodiment of the present invention. In the figure, 9 is a sealing flange, 12 is a stator connection cable, 13 is a sensor connection cable, 17 is a seal packing, 18 is a cable lead-out hole, and 23 is a cable sealing material. The same parts as those in FIG. 1 that are not used in the description of the present embodiment are omitted.
In this embodiment, since the motor portion is built in the bearing
In this embodiment, in the cable lead-
The contact surface between the
As described above, in this embodiment, a complete gas tight structure can be obtained without using a shaft seal device such as a gland packing, although it is a rotating machine.
図6はケーブル引き出し穴18における上記と別のシール方法を示す。12はステーター接続ケーブル、13はセンサー接続ケーブル、23はケーブル用シール材、24はシール用カラー、25はOリングを示す。本形態によればケーブル同士の密着固定は上記と同様ケーブル用シール材23を用いて実施するが、ケーブル引き出し穴との間にシール用カラー24を配置することで、シール性を損なうことなく取り付け取り外し時の作業性を向上させることが可能となる。図5、図6では密閉用フランジに設けたケーブル引き出し穴18部で直にシールしているが、当該穴部に配管を接続して該配管にケーブルを挿通し、配管とケーブルとの間を上記と同様の方法でシールしても良い。
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。
FIG. 6 shows another sealing method for the cable lead-
In this embodiment, the cables are collectively taken out from the cable lead-
図7は本発明の第四の実施例を示すモーター部分の断面拡大図である。図において、6は軸受箱、7はローター、8はステーター、18はケーブル引き出し穴、26は気密性隔壁、27はOリングを示す。本実施例の説明で使用しない、図1と同じ部品については符号を割愛してある。
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。
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a motor portion showing a fourth embodiment of the present invention. In the figure, 6 is a bearing box, 7 is a rotor, 8 is a stator, 18 is a cable drawing hole, 26 is an airtight partition, and 27 is an O-ring. The same parts as those in FIG. 1 that are not used in the description of the present embodiment are omitted.
As shown in FIG. 7, a cup-shaped
図8は、本発明の第一、第二、第三の実施例を同時に組み合わせた高温ガス送風用ファンの側面断面図である。図において、6は軸受箱、17はシール用パッキン、18はケーブル引き出し穴、21はヒートシンク、23はケーブル用シール材を示す。本実施例の説明で使用しない、図1と同じ部品については符号を割愛してある。
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。
FIG. 8 is a side sectional view of a hot gas blowing fan in which the first, second and third embodiments of the present invention are combined at the same time. In the figure, 6 is a bearing box, 17 is a seal packing, 18 is a cable drawing hole, 21 is a heat sink, and 23 is a cable sealing material. The same parts as those in FIG. 1 that are not used in the description of the present embodiment are omitted.
In this embodiment, there are two seal points for the high-temperature gas, that is, 17 parts for the seal packing and 23 parts for the cable sealing material. Since both of these seals are seals between stationary objects, the high-temperature gas is surely leaked to the outside. In addition, it can be easily prevented. Sealing of rotating machinery is usually carried out by shaft sealing devices such as gland packing and oil seals, but these shaft sealing devices have long-term reliability, such as the occurrence of clearance from the shaft due to sliding wear with the rotating shaft. It is virtually impossible to achieve a complete gastight structure. Since solid oxide fuel cells often operate in environments where there are people around, such as ordinary homes, apartment houses, and stores, the fact that a completely gastight structure can be realized as in this embodiment is also very safe from the standpoint of safety. is important. Further, since the seal of this embodiment is a simple and inexpensive method, it has an advantage in terms of mass production cost.
また、軸受箱6の反インペラ側端部にヒートシンク21が配置されているため、高温ガスを送風中の軸受温度を効果的に冷却することができる。固体酸化物型燃料電池で使用される高温燃料ガスの露点は約70℃である。上記ヒートシンク21による冷却を過度に実施すると軸受箱温度が上記露点以下となり軸受箱内に結露水が溜まったり、軸受に錆が発生するなどの問題が生じる。本実施例においてはヒートシンク21に吹き付ける冷却用空気の流量を調整することにより、容易に軸受温度を上記露点と軸受耐熱温度との中間域に維持することが可能である。
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。
Moreover, since the
In the solid oxide fuel cell system, there is an air blower for supplying air to the air electrode of the battery. Therefore, it is easy to divert the air from the air blower to the cooling air. When piping from the air blower to the
When the high-temperature gas blowing fan according to this example is used in an actual solid oxide fuel cell, the bearing temperature can be maintained at 82 ° C. under the conditions of a high-temperature fuel gas temperature of 950 ° C. and a cooling air temperature of 20 ° C. did it.
本実施例による高温ガス送風用ファンは、特許文献1の高温ガス送風用ファンと技術的、性能的には同等であるといえるが、特許文献1のファンに比べて形状的もしくは構造的にコンパクト化され、部品構成は非常に簡素となる。具体的にはヒートパイプ、1対の磁気継ぎ手、モーター軸、2個のモーター用軸受、モーターのケースが削除されており、特に固体酸化物型燃料電池用途で要求される量産時コスト面で非常に有利である。
The high-temperature gas blowing fan according to the present embodiment is technically and technically equivalent to the high-temperature gas blowing fan disclosed in
このようにコンパクト化された本発明の高温ガス送風用ファンは、特に固体酸化物型燃料電池用として好適であるが、固体酸化物型以外の燃料電池(例えば溶融炭酸塩型燃料電池)及びその他の用途にも高温ガスを漏出させずに送給するためのファンとして有用である。 The compacted high-temperature gas blowing fan of the present invention is particularly suitable for a solid oxide fuel cell, but a fuel cell other than a solid oxide type (for example, a molten carbonate fuel cell) and others. It is also useful as a fan for supplying hot gas without leaking it.
本発明の高温ガス送風用ファンは、簡便で安価なシール構造を有しているので、特に一般家庭や集合住宅、店舗などで使用される固体酸化物型燃料電池等の高温燃料ガス再循環用ファンとして好適である。 The high-temperature gas blowing fan of the present invention has a simple and inexpensive sealing structure, so that it is particularly for high-temperature fuel gas recirculation such as solid oxide fuel cells used in ordinary homes, apartment houses, stores, etc. It is suitable as a fan.
1:回転軸
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
1: rotating shaft 2: impeller 3: impeller side bearing 4: anti-impeller side bearing 5: heat insulating block 6: bearing box 7: rotor 8: stator 9: sealing flange 10: rotation control sensor 11: rotation control magnet 12 : Stator connection cable 13: Sensor connection cable 14: Suction port 15: Outlet port 16: Casing 17: Sealing packing 18: Cable lead hole 19: Heat insulation layer 20: Heat insulation block fixing plate 21: Heat sink 22: Pin 23: For cable Seal material 24: Sealing collar 25: O-ring 26: Airtight partition wall 27: O-ring
Claims (4)
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前記軸受箱内に片持ち支持により配設され、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、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置され、かつ、軸受箱冷却用ヒートシンクが軸受箱に直接または前記密閉用フランジを介して配設されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の高温燃料ガスの送風用ファン。 A heat-resistant impeller that is cantilevered on the rotating shaft, a heat-conductive bearing box that supports the bearing of the rotating shaft, and a heat insulating block that is disposed between the impeller and the bearing box. A fan for blowing hot gas,
The rotor of the motor is disposed at the shaft end opposite to the impeller of the rotating shaft by cantilever support in the bearing housing, and the stator of the motor disposed in a non-contact state with the rotor on the outer periphery of the rotor A bearing flange is supported and fixed to the inner peripheral portion of the bearing box, and a sealing flange is disposed at an end of the bearing box opposite to the impeller, and a bearing box cooling heat sink is directly or via the sealing flange. A fan for blowing high-temperature fuel gas in a solid oxide fuel cell, wherein the fan is provided.
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