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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-03
(45)【発行日】2025-03-11
(54)【発明の名称】燃料電池用流体機械
(51)【国際特許分類】
F01D 5/14 20060101AFI20250304BHJP
F02B 37/10 20060101ALI20250304BHJP
F02B 39/00 20060101ALI20250304BHJP
F01D 25/00 20060101ALI20250304BHJP
F01D 25/24 20060101ALI20250304BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20250304BHJP
【ＦＩ】
F01D5/14
F02B37/10 Z
F02B39/00 D
F02B39/00 Q
F01D25/00 F
F01D25/24 D
H01M8/04 N
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021191335
(22)【出願日】2021-11-25
(65)【公開番号】P2023077852
(43)【公開日】2023-06-06
【審査請求日】2024-02-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】楳山 亮
(72)【発明者】
【氏名】森 英文
(72)【発明者】
【氏名】秋本 健太
(72)【発明者】
【氏名】松岡 裕也
【審査官】家喜 健太
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／１５９７４４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１５－５０５９２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５０９４５８７（ＵＳ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／２０３３７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０９－１４４５５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表昭６０－５０１０１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１０４４２４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２０１２０２３０１１（ＤＥ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｂ ３９／００
Ｆ０１Ｄ ５／００ ， ２５／００
Ｈ０１Ｍ ８／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸と、前記回転軸を回転させる電動モータと、
前記回転軸の回転によって燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部と、
前記回転軸の回転を補助する回転補助部と、を備え、
前記回転補助部は、
前記回転軸に設けられ、前記回転軸と一体回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールが収容されるタービン室を形成し、前記タービンホイールと対向するシュラウド面を有するタービンハウジングと、を備え、
前記タービンホイールは、前記燃料電池スタックから排出されて前記タービン室に導入される排出ガスを前記回転軸の径方向から導入し、前記回転軸の軸線方向に排出することによって回転する燃料電池用流体機械であって、
前記タービンホイールの径、及び前記シュラウド面の径は、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径しており、
前記タービンホイールは、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径する複数の翼を有し、
子午面視において、複数の前記翼における前記排出ガスの流れ方向の下流に位置する端縁である下流端縁と前記回転軸の軸線とは直交しており、
前記子午面視において、前記下流端縁と複数の前記翼における前記シュラウド面側の縁である外縁とが区画するエッジの角度は鋭角であることを特徴とする燃料電池用流体機械。
【請求項2】
前記タービンホイールは、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次縮径する外周面を有するハブを有し、
複数の前記翼は、前記外周面に設けられ、前記ハブの周方向に配列され、
複数の前記翼における前記シュラウド面側の縁である外縁は、前記シュラウド面に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用流体機械。
【請求項3】
前記タービンハウジングは、前記翼と対向し、前記排出ガスを導入する導入口を有し、複数の前記翼における前記導入口と対向する対向縁は、前記回転軸の軸線方向に対して、前記ハブの径が最大径から小さくなるにつれて前記回転軸から離間するように延びていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用流体機械。
【請求項4】
前記タービンハウジングは、前記翼と対向し、前記排出ガスを導入する導入口を有し、複数の前記翼における前記導入口と対向する対向縁は、前記回転軸の軸線方向に対して、前記ハブの径が最大径から小さくなるにつれて前記回転軸の軸線方向に延びていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池用流体機械に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、回転軸と、電動モータと、圧縮部と、を備えた燃料電池用流体機械が知られている。電動モータは、回転軸を回転させる。圧縮部は、回転軸の回転によって駆動する。そして、圧縮部は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する。また、燃料電池用流体機械は、回転軸の回転を補助する回転補助部を備えている場合がある。回転補助部は、例えば特許文献１に開示されているように、タービンホイールと、タービンハウジングと、を備えている。タービンホイールは、回転軸に設けられている。タービンホイールは、回転軸と一体回転する。タービンハウジングは、タービン室を形成する。タービン室には、タービンホイールが収容されている。また、タービンハウジングは、タービンホイールと対向するシュラウド面を有している。このような燃料電池用流体機械において、タービンホイールは、燃料電池スタックから排出されてタービン室に導入される排出ガスを回転軸の径方向から導入し、回転軸の軸線方向に排出することによって回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－２０４４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、このような燃料電池用流体機械において、図３に示すように、タービン効率ηは、速度比Ｕ／Ｃと関係がある。タービン効率ηは、速度比Ｕ／Ｃに対して上に凸となる特性がある。したがって、タービン効率ηは、所定の速度比Ｕ／Ｃ０において極大値ηｍａｘとなる。
【0005】
速度比Ｕ／Ｃは、タービンホイール周速Ｕと断熱速度Ｃとの比によって表される。タービンホイール周速Ｕは、タービンホイールの周方向の回転速度である。タービンホイール周速Ｕは、タービンホイールの回転数と、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径との積によって表される。断熱速度Ｃは、排出ガスの温度と圧力との関数によって表される。断熱速度Ｃは、ある温度と圧力とを有する排出ガスを、所定の温度及び圧力まで膨張させたときに得られる理論的なガス速度を意味する。
【0006】
ここで、燃料電池スタックから排出される排出ガスの温度及び圧力は、例えば、エンジンの排気に比べて大幅に低い。したがって、燃料電池用流体機械においては、断熱速度Ｃが比較的低いため、速度比Ｕ／Ｃが、所定の速度比Ｕ／Ｃ０よりも大きい速度比Ｕ／Ｃｘとなってしまう。すると、タービン効率ηは、極大値ηｍａｘよりも低い値ηｘとなってしまう。
【0007】
燃料電池スタックから排出される排出ガスの温度及び圧力は、燃料電池スタックに供給される空気の要求流量、温度、及び圧力によって一義的に決まる。したがって、燃料電池用流体機械において、断熱速度Ｃは、燃料電池スタックに供給される空気の要求流量、温度、及び圧力によって一義的に決まることになる。したがって、タービン効率ηを向上させるためには、タービンホイール周速Ｕを小さくする必要がある。
【0008】
タービンホイール周速Ｕを小さくするために、例えば、タービンホイールの回転数を小さくすることが考えられるが、回転軸の回転を補助するためには、タービンホイールの回転数を小さくすることは好ましくない。したがって、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくすることが考えられる。このとき、タービンホイールの径が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次縮径している構成であるタービンホイールの場合を考える。この場合、タービンホイールの入口径を小さくするにつれて、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径も小さくなる。すると、タービンホイールの回転によって流れる排出ガスがタービン室を通過し難くなる。よって、タービン室内において、排出ガスの流れ方向の上流の圧力が上昇するため、燃料電池スタックの入口の圧力を上昇させてしまうことになる。その結果として、圧縮部が消費する動力が大幅に増大してしまう虞がある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決する燃料電池用流体機械は、回転軸と、前記回転軸を回転させる電動モータと、前記回転軸の回転によって燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部と、前記回転軸の回転を補助する回転補助部と、を備え、前記回転補助部は、前記回転軸に設けられ、前記回転軸と一体回転するタービンホイールと、前記タービンホイールが収容されるタービン室を形成し、前記タービンホイールと対向するシュラウド面を有するタービンハウジングと、を備え、前記タービンホイールは、前記燃料電池スタックから排出されて前記タービン室に導入される排出ガスを前記回転軸の径方向から導入し、前記回転軸の軸線方向に排出することによって回転する燃料電池用流体機械であって、前記タービンホイールの径、及び前記シュラウド面の径は、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。
【0010】
これによれば、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径が小さくなるため、タービンホイール周速が小さくなる。したがって、タービン効率が、極大値に近付く。その結果、燃料電池用流体機械において、タービン効率が向上する。そして、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくしても、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径が、入口径よりも小さくなることが無い。よって、タービンホイールの入口径を小さくしても、タービンホイールの回転によって流れる排出ガスがタービン室を通過し難くなることを抑制することができる。その結果、タービンホイール周速を小さくするために、タービンホイールの入口径を小さくしても、タービン室内において、排出ガスの流れ方向の上流の圧力が上昇してしまうことが抑制される。したがって、燃料電池スタックの入口の圧力を上昇させてしまうことが抑制される。以上により、圧縮部が消費する動力が増大することなく、タービン効率を向上させることができる。
【0011】
上記燃料電池用流体機械において、前記タービンホイールは、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次縮径する外周面を有するハブと、前記外周面に設けられ、前記ハブの周方向に配列され、前記排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径する複数の翼と、を有し、複数の前記翼における前記シュラウド面側の縁である外縁は、前記シュラウド面に沿って延びているとよい。
【0012】
これによれば、複数の翼におけるシュラウド面側の縁である外縁が、シュラウド面に沿って延びているため、複数の翼におけるシュラウド面側の縁である外縁とシュラウド面との間のクリアランスを一定に維持することができる。したがって、タービン効率をさらに向上させることができる。
【0013】
上記燃料電池用流体機械において、前記タービンハウジングは、前記翼と対向し、前記排出ガスを導入する導入口を有し、複数の前記翼における前記導入口と対向する対向縁は、前記回転軸の軸線方向に対して、前記ハブの径が最大径から小さくなるにつれて前記回転軸から離間するように延びているとよい。
【0014】
これによれば、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径と、タービンホイールにおける排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径との差を極力大きくすることができる。したがって、タービンホイールの入口径を小さくしても、タービンホイールの回転によって流れる排出ガスがタービン室を通過し難くなることをさらに抑制し易くすることができる。
【0015】
上記燃料電池用流体機械において、前記タービンハウジングは、前記翼と対向し、前記排出ガスを導入する導入口を有し、複数の前記翼における前記導入口と対向する対向縁は、前記回転軸の軸線方向に対して、前記ハブの径が最大径から小さくなるにつれて前記回転軸の軸線方向に延びているとよい。
【0016】
これによれば、排出ガスの運動エネルギーをタービンホイールに伝達させ易くすることができる。したがって、排出ガスの運動エネルギーがタービンホイールの回転エネルギーに変換され易くなり、タービンホイールで発生した回転エネルギーによって、回転軸の回転を補助し易くすることができる。
【発明の効果】
【0017】
この発明によれば、圧縮部が消費する動力が増大することなく、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施形態における燃料電池用流体機械を説明するための側断面図である。
【図2】タービンホイール周辺を拡大して示す断面図である。
【図3】タービン効率と速度比との関係を示すグラフである。
【図4】別の実施形態におけるタービンホイール周辺を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
【0020】
（燃料電池システム１０について）
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃料電池用流体機械１２と、を備えている。燃料電池用流体機械１２は、酸化剤ガスである空気を圧縮する。燃料電池スタック１１には、燃料電池用流体機械１２によって圧縮された空気が供給される。燃料電池スタック１１は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、燃料電池用流体機械１２と、を備えている。燃料電池用流体機械１２は、酸化剤ガスである空気を圧縮する。燃料電池スタック１１には、燃料電池用流体機械１２によって圧縮された空気が供給される。燃料電池スタック１１は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。
【0021】
そして、燃料電池スタック１１は、燃料ガスである水素と空気に含まれる酸素とを化学反応させて発電を行う。燃料電池スタック１１の発電に寄与する酸素は、空気中に２割程度しか存在しない。したがって、燃料電池スタック１１に供給された空気の８割程度は、燃料電池スタック１１の発電に寄与されることなく燃料電池スタック１１から排出ガスとして排出される。
【0022】
燃料電池スタック１１は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック１１により発電された電力を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、車両は、アクセルペダルのアクセル開度に応じた車速で走行する。
【0023】
（燃料電池用流体機械１２の全体構成）
燃料電池用流体機械１２は、回転軸１３と、電動モータ１４と、圧縮部１５と、備えている。電動モータ１４は、回転軸１３を回転させる。圧縮部１５は、回転軸１３の回転によって駆動する。本実施形態では、圧縮部１５は、回転軸１３の第１端部に連結されたコンプレッサインペラである。そして、圧縮部１５は、燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する。
燃料電池用流体機械１２は、回転軸１３と、電動モータ１４と、圧縮部１５と、備えている。電動モータ１４は、回転軸１３を回転させる。圧縮部１５は、回転軸１３の回転によって駆動する。本実施形態では、圧縮部１５は、回転軸１３の第１端部に連結されたコンプレッサインペラである。そして、圧縮部１５は、燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する。
【0024】
（回転補助部１６の構成）
燃料電池用流体機械１２は、回転補助部１６を備えている。回転補助部１６は、回転軸１３の回転を補助する。回転補助部１６は、タービンホイール２０と、タービンハウジング３０と、を備えている。タービンホイール２０は、回転軸１３に設けられている。具体的には、タービンホイール２０は、回転軸１３の第２端部に連結されている。タービンホイール２０は、回転軸１３と一体回転する。
燃料電池用流体機械１２は、回転補助部１６を備えている。回転補助部１６は、回転軸１３の回転を補助する。回転補助部１６は、タービンホイール２０と、タービンハウジング３０と、を備えている。タービンホイール２０は、回転軸１３に設けられている。具体的には、タービンホイール２０は、回転軸１３の第２端部に連結されている。タービンホイール２０は、回転軸１３と一体回転する。
【0025】
タービンハウジング３０は、タービン室３１を形成する。タービン室３１には、タービンホイール２０が収容されている。タービンハウジング３０は、円孔状の吐出口３２を有する筒状である。吐出口３２は、タービン室３１に連通している。吐出口３２の軸心は、回転軸１３の軸線Ｌ１に一致している。また、タービンハウジング３０は、吸入室３３と、導入口３４と、を有している。吸入室３３は、タービン室３１の周囲で吐出口３２の軸心周りに延びている。吸入室３３には、燃料電池スタック１１から排出された排出ガスが吸入される。導入口３４は、タービン室３１と吸入室３３とを連通している。導入口３４は、回転軸１３の径方向に延びている。そして、導入口３４は、吸入室３３に吸入された排出ガスを回転軸１３の径方向からタービン室３１に導入する。
【0026】
タービンホイール２０は、燃料電池スタック１１から排出されてタービン室３１に導入される排出ガスを回転軸１３の径方向から導入し、回転軸１３の軸線方向に排出することによって回転する。タービンホイール２０は、タービン室３１に導入された排出ガスの運動エネルギーにより回転する。これにより、排出ガスの運動エネルギーがタービンホイール２０の回転エネルギーに変換される。このように、タービンホイール２０で発生した回転エネルギーは、回転軸１３の回転を補助する。そして、タービン室３１を通過した排出ガスは、吐出口３２から外部へ吐出される。
【0027】
（シュラウド面３５について）
図２に示すように、タービンハウジング３０は、タービンホイール２０と対向するシュラウド面３５を有している。シュラウド面３５は、タービン室３１を形成している。シュラウド面３５は、タービンホイール２０を取り囲んでいる。シュラウド面３５は、導入口３４におけるタービン室３１側の開口縁と吐出口３２の内周面とを接続している。シュラウド面３５の径は、導入口３４から吐出口３２に向かうにつれて漸次拡径している。したがって、シュラウド面３５の径は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。
図２に示すように、タービンハウジング３０は、タービンホイール２０と対向するシュラウド面３５を有している。シュラウド面３５は、タービン室３１を形成している。シュラウド面３５は、タービンホイール２０を取り囲んでいる。シュラウド面３５は、導入口３４におけるタービン室３１側の開口縁と吐出口３２の内周面とを接続している。シュラウド面３５の径は、導入口３４から吐出口３２に向かうにつれて漸次拡径している。したがって、シュラウド面３５の径は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。
【0028】
（ハブ２１について）
タービンホイール２０は、ハブ２１と、複数の翼２２と、を有している。ハブ２１は、回転軸１３と一体的に回転する。ハブ２１は、回転軸１３の第２端部に取り付けられている。ハブ２１は、背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて外径が拡径していく略円錐形状である。ハブ２１は、背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて漸次縮径する外周面２１ｃを有している。タービン室３１を流れる排出ガスの流れ方向は、導入口３４から吐出口３２に向かう方向である。したがって、ハブ２１は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次縮径する外周面２１ｃを有している。ハブ２１の外周面２１ｃは、回転軸１３の軸線Ｌ１に向けて凹む湾曲面である。ハブ２１の背面２１ａの外径は、ハブ２１の径の最大径である。ハブ２１の先端面２１ｂの外径は、ハブ２１の径の最小径である。
タービンホイール２０は、ハブ２１と、複数の翼２２と、を有している。ハブ２１は、回転軸１３と一体的に回転する。ハブ２１は、回転軸１３の第２端部に取り付けられている。ハブ２１は、背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて外径が拡径していく略円錐形状である。ハブ２１は、背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて漸次縮径する外周面２１ｃを有している。タービン室３１を流れる排出ガスの流れ方向は、導入口３４から吐出口３２に向かう方向である。したがって、ハブ２１は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次縮径する外周面２１ｃを有している。ハブ２１の外周面２１ｃは、回転軸１３の軸線Ｌ１に向けて凹む湾曲面である。ハブ２１の背面２１ａの外径は、ハブ２１の径の最大径である。ハブ２１の先端面２１ｂの外径は、ハブ２１の径の最小径である。
【0029】
（翼２２について）
複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃに設けられている。複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃから突出している。複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃに対して、ハブ２１の周方向に等間隔置きに配置されている。複数の翼２２は、ハブ２１の周方向に配列されている。タービンホイール２０は、各翼２２がシュラウド面３５に対向した状態で、タービン室３１内に収容されている。複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３は、ハブ２１の背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて漸次拡径している。したがって、各翼２２は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。このように、タービンホイール２０の径、及びシュラウド面３５の径は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。
複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃに設けられている。複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃから突出している。複数の翼２２は、ハブ２１の外周面２１ｃに対して、ハブ２１の周方向に等間隔置きに配置されている。複数の翼２２は、ハブ２１の周方向に配列されている。タービンホイール２０は、各翼２２がシュラウド面３５に対向した状態で、タービン室３１内に収容されている。複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３は、ハブ２１の背面２１ａから先端面２１ｂに向かうにつれて漸次拡径している。したがって、各翼２２は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。このように、タービンホイール２０の径、及びシュラウド面３５の径は、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。
【0030】
複数の翼２２の外縁２３は、シュラウド面３５に沿って延びている。したがって、各翼２２の外縁２３とシュラウド面３５との間のクリアランスＣ１は、排出ガスの流れ方向で一定である。導入口３４は、各翼２２に対向している。したがって、各翼２２は、導入口３４と対向する対向縁２４を有している。そして、複数の翼２２における導入口３４と対向する対向縁２４は、回転軸１３の軸線方向に対して、ハブ２１の径が最大径から小さくなるにつれて回転軸１３から離間するように延びている。各翼２２の対向縁２４の径は、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径である。各翼２２の外縁２３におけるハブ２１の先端面２１ｂ側に位置する端部の径は、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径である。
【0031】
（作用）
次に、本実施形態の作用について説明する。
電動モータ１４によって回転軸１３が回転すると、圧縮部１５が回転軸１３の回転によって駆動し、圧縮部１５が空気を圧縮する。圧縮部１５で圧縮された空気は、燃料電池スタック１１に供給される。燃料電池スタック１１に供給された空気に含まれる酸素は、燃料電池スタック１１の発電に寄与する。燃料電池スタック１１から排出された排出ガスは、吸入室３３に吸入される。吸入室３３に吸入された排出ガスは、導入口３４を通じてタービン室３１に導入される。そして、タービン室３１に導入された排出ガスの運動エネルギーによりタービンホイール２０が回転する。これにより、排出ガスの運動エネルギーがタービンホイール２０の回転エネルギーに変換される。このように、タービンホイール２０で発生した回転エネルギーは、回転軸１３の回転を補助する。そして、タービン室３１を通過した排出ガスは、吐出口３２から外部へ吐出される。
次に、本実施形態の作用について説明する。
電動モータ１４によって回転軸１３が回転すると、圧縮部１５が回転軸１３の回転によって駆動し、圧縮部１５が空気を圧縮する。圧縮部１５で圧縮された空気は、燃料電池スタック１１に供給される。燃料電池スタック１１に供給された空気に含まれる酸素は、燃料電池スタック１１の発電に寄与する。燃料電池スタック１１から排出された排出ガスは、吸入室３３に吸入される。吸入室３３に吸入された排出ガスは、導入口３４を通じてタービン室３１に導入される。そして、タービン室３１に導入された排出ガスの運動エネルギーによりタービンホイール２０が回転する。これにより、排出ガスの運動エネルギーがタービンホイール２０の回転エネルギーに変換される。このように、タービンホイール２０で発生した回転エネルギーは、回転軸１３の回転を補助する。そして、タービン室３１を通過した排出ガスは、吐出口３２から外部へ吐出される。
【0032】
図３のグラフは、タービン効率ηと速度比Ｕ／Ｃとの関係を示している。図３に示すように、タービン効率ηは、速度比Ｕ／Ｃに対して上に凸となる特性がある。したがって、タービン効率ηは、所定の速度比Ｕ／Ｃ０において極大値ηｍａｘとなる。
【0033】
ところで、このような燃料電池用流体機械１２において、タービン効率ηは、速度比Ｕ／Ｃと関係がある。速度比Ｕ／Ｃは、タービンホイール周速Ｕと断熱速度Ｃとの比によって表される。タービンホイール周速Ｕは、タービンホイール２０の周方向の回転速度である。タービンホイール周速Ｕは、タービンホイール２０の回転数と、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径との積によって表される。断熱速度Ｃは、排出ガスの温度と圧力との関数によって表される。断熱速度Ｃは、ある温度と圧力とを有する排出ガスを、所定の温度及び圧力まで膨張させたときに得られる理論的なガス速度を意味する。
【0034】
ここで、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスの温度及び圧力は、例えば、エンジンの排気に比べて大幅に低い。したがって、燃料電池用流体機械１２においては、断熱速度Ｃが比較的低いため、速度比Ｕ／Ｃが、所定の速度比Ｕ／Ｃ０よりも大きい速度比Ｕ／Ｃｘとなってしまう。すると、タービン効率ηは、極大値ηｍａｘよりも低い値ηｘとなってしまう。
【0035】
燃料電池スタック１１から排出される排出ガスの温度及び圧力は、燃料電池スタック１１に供給される空気の要求流量、温度、及び圧力によって一義的に決まる。したがって、燃料電池用流体機械１２において、断熱速度Ｃは、燃料電池スタック１１に供給される空気の要求流量、温度、及び圧力によって一義的に決まることになる。したがって、タービン効率ηを向上させるためには、タービンホイール周速Ｕを小さくする必要がある。
【0036】
タービンホイール周速Ｕを小さくするために、例えば、タービンホイール２０の回転数を小さくすることが考えられるが、回転軸１３の回転を補助するためには、タービンホイール２０の回転数を小さくすることは好ましくない。したがって、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくすることが考えられる。
【0037】
そこで、タービンホイール２０の径、及びシュラウド面３５の径が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。これによれば、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径が小さくなるため、タービンホイール周速Ｕが小さくなる。したがって、速度比Ｕ／Ｃが、所定の速度比Ｕ／Ｃ０に近付き、タービン効率ηが、極大値ηｍａｘに近付く。その結果、燃料電池用流体機械１２において、タービン効率ηが向上する。
【0038】
そして、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくしても、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径が、入口径よりも小さくなることが無い。よって、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービンホイール２０の回転によって流れる排出ガスがタービン室３１を通過し難くなることが抑制されている。その結果、タービンホイール周速Ｕを小さくするために、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービン室３１内において、排出ガスの流れ方向の上流の圧力が上昇してしまうことが抑制される。したがって、燃料電池スタック１１の入口の圧力が上昇させてしまうことが抑制される。以上により、圧縮部１５が消費する動力が増大することなく、タービン効率ηが向上する。
【0039】
（効果）
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）タービンホイール２０の径、及びシュラウド面３５の径が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。これによれば、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径が小さくなるため、タービンホイール周速Ｕが小さくなる。したがって、速度比Ｕ／Ｃが、所定の速度比Ｕ／Ｃ０に近付き、タービン効率ηが、極大値ηｍａｘに近付く。その結果、燃料電池用流体機械１２において、タービン効率ηが向上する。そして、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくしても、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径が、入口径よりも小さくなることが無い。よって、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービンホイール２０の回転によって流れる排出ガスがタービン室３１を通過し難くなることを抑制することができる。その結果、タービンホイール周速Ｕを小さくするために、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービン室３１内において、排出ガスの流れ方向の上流の圧力が上昇してしまうことが抑制される。したがって、燃料電池スタック１１の入口の圧力を上昇させてしまうことが抑制される。以上により、圧縮部１５が消費する動力が増大することなく、タービン効率ηを向上させることができる。
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）タービンホイール２０の径、及びシュラウド面３５の径が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向けて漸次拡径している。これによれば、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径が小さくなるため、タービンホイール周速Ｕが小さくなる。したがって、速度比Ｕ／Ｃが、所定の速度比Ｕ／Ｃ０に近付き、タービン効率ηが、極大値ηｍａｘに近付く。その結果、燃料電池用流体機械１２において、タービン効率ηが向上する。そして、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径を小さくしても、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径が、入口径よりも小さくなることが無い。よって、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービンホイール２０の回転によって流れる排出ガスがタービン室３１を通過し難くなることを抑制することができる。その結果、タービンホイール周速Ｕを小さくするために、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービン室３１内において、排出ガスの流れ方向の上流の圧力が上昇してしまうことが抑制される。したがって、燃料電池スタック１１の入口の圧力を上昇させてしまうことが抑制される。以上により、圧縮部１５が消費する動力が増大することなく、タービン効率ηを向上させることができる。
【0040】
（２）複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３が、シュラウド面３５に沿って延びている。これによれば、複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３とシュラウド面３５との間のクリアランスＣ１を一定に維持することができる。したがって、タービン効率ηをさらに向上させることができる。
【0041】
（３）複数の翼２２における導入口３４と対向する対向縁２４は、回転軸１３の軸線方向に対して、ハブ２１の径が最大径から小さくなるにつれて回転軸１３から離間するように延びている。これによれば、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の上流に位置する入口径と、タービンホイール２０における排出ガスの流れ方向の下流に位置する出口径との差を極力大きくすることができる。したがって、タービンホイール２０の入口径を小さくしても、タービンホイール２０の回転によって流れる排出ガスがタービン室３１を通過し難くなることをさらに抑制し易くすることができる。
【0042】
（変更例）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【0043】
○ 図４に示すように、複数の翼２２における導入口３４と対向する対向縁２４が、回転軸１３の軸線方向に対して、ハブ２１の径が最大径から小さくなるにつれて回転軸１３の軸線方向に延びていてもよい。これによれば、排出ガスの運動エネルギーをタービンホイール２０に伝達させ易くすることができる。したがって、排出ガスの運動エネルギーがタービンホイール２０の回転エネルギーに変換され易くなり、タービンホイール２０で発生した回転エネルギーによって、回転軸１３の回転を補助し易くすることができる。
【0044】
○ 実施形態において、複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３が、シュラウド面３５に沿って延びていなくてもよい。要は、複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３とシュラウド面３５との間のクリアランスＣ１が一定でなくてもよい。例えば、複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３とシュラウド面３５との間のクリアランスＣ１が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向かうにつれて徐々に狭くなっていくようにしてもよい。また、例えば、複数の翼２２におけるシュラウド面３５側の縁である外縁２３とシュラウド面３５との間のクリアランスＣ１が、排出ガスの流れ方向の上流から下流に向かうにつれて徐々に広くなっていくようにしてもよい。
【0045】
○ 実施形態において、燃料電池用流体機械１２は、燃料電池車に搭載され、燃料電池スタック１１に対して空気を供給するために用いられるものに限らない。例えば、燃料電池用流体機械１２は、車両に搭載されるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【0046】
１１…燃料電池スタック、１２…燃料電池用流体機械、１３…回転軸、１４…電動モータ、１５…圧縮部、１６…回転補助部、２０…タービンホイール、２１…ハブ、２１ｃ…外周面、２２…翼、２３…外縁、２４…対向縁、３０…タービンハウジング、３１…タービン室、３４…導入口、３５…シュラウド面。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】