DE112020001569T5

DE112020001569T5 - Zentrifugalverdichter für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112020001569T5
Application number: DE112020001569.6T
Authority: DE
Inventors: Ryo Umeyama; Yoshiyuki Nakane; Takahito Kunieda
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-12-30
Also published as: KR20210132170A; CN113614384A; CN113614384B; JP2020165325A; US20220166037A1; KR102615830B1; WO2020196481A1; JP7140030B2; US11811108B2

Abstract

Ein Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter beinhaltet: ein Laufrad mit einer Nabe und Schaufeln; und eine Ummantelung. Ein kleinerer der von jeder Schaufel und einer Meridianfläche gebildeten Winkel ist ein Schaufelwinkel. Ein Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Nabenseite der Schaufel ist minimal zwischen nabenseitigen Vorder- und Hinterkanten der Schaufel. Ein Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Mantelseite der Schaufel ist minimal zwischen der mantelseitigen Vorder- und Hinterkante der Schaufel. Absolutwert des Schaufelwinkels zwischen der nabenseitigen Vorder- und Hinterkante ist auf der Nabenseite der Schaufel ständig kleiner oder gleich groß wie auf der Mantelseite der Schaufel. Die mantelseitige Hinterkante ist im Absolutwert des Schaufelwinkels kleiner als die mantelseitige Vorderkante. Die nabenseitige Hinterkante ist im Absolutwert des Schaufelwinkels größer als die nabenseitige Vorderkante.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Zentrifugalverdichter für Brennstoffzellen, der einem Brennstoffzellenstapel zugeführtes Oxidationsmittelgas verdichtet.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Neuerdings verfügbare Fahrzeuge sind mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet, das einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet, in dem elektrische Leistung durch die chemische Reaktion von Wasserstoff, der als Brenngas dient, und Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist und als Oxidationsmittelgas dient, erzeugt wird. Patentdokument 1 offenbart ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter beinhaltet, der die einem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft verdichtet.
Der Zentrifugalverdichter der Brennstoffzelle beinhaltet ein Laufrad, das Luft verdichtet. Das Laufrad beinhaltet eine Nabe, die integral mit einer Drehwelle rotiert, und Schaufeln, die in Umfangsrichtung der Nabe angeordnet sind. Außerdem beinhaltet der Zentrifugalverdichter für Brennstoffzellen eine Ummantelung, die der Nabe gegenüberliegt und eine Laufradkammer definiert. In der Laufradkammer ist ein Laufrad aufgenommen.
STAND DER TECHNIK DOKUMENTE
Patentdokumente
Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2010-144537
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Probleme, die die Erfindung zu lösen hat
Im Brennstoffzellensystem sinkt die Luftfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel, wenn beispielsweise der Brennstoffzellenstapel übermäßig mit Luft versorgt wird. Selbst wenn die Durchflussmenge der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft gering ist, nimmt die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel leicht ab, wenn der Druck der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft niedrig ist. Die Abnahme der Luftfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel senkt den Wirkungsgrad der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels. Um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung aufrechtzuerhalten, muss dem Brennstoffzellenstapel daher Luft mit hohem Druck zugeführt werden, wenn die Durchflussmenge der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft niedrig ist.
Im Zentrifugalverdichter der Brennstoffzelle kommt es jedoch bei einer geringen Durchflussmenge der entlang der Schaufeln strömenden Luft zu einem Pumpen, so dass sich der Luftstrom entlang der Schaufeln umkehrt. Insbesondere kommt es leicht zum Auftreten von Pumpen, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufeln strömenden Luft niedrig und der Austrittsdruck hoch ist. Das Auftreten von Pumpen führt zu einem instabilen Betrieb des Zentrifugalverdichters der Brennstoffzelle.
Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, einen Zentrifugalverdichter für Brennstoffzellen bereitzustellen, der in der Lage ist, das Auftreten von Pumpen zu verhindern, wenn die Durchflussmenge des entlang der Schaufeln strömenden Oxidationsmittelgases gering und der Auslassdruck hoch ist.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein Zentrifugalverdichter für Brennstoffzellen, der das oben beschriebene Ziel erreicht, beinhaltet: ein Laufrad, das eine Nabe und Schaufeln beinhaltet und so konfiguriert ist, dass es einem Brennstoffzellenstapel zugeführtes Oxidationsmittelgas verdichtet, wobei die Nabe so konfiguriert ist, dass sie sich integral mit einer Drehwelle dreht, und die Schaufeln in einer Umfangsrichtung der Nabe angeordnet sind; und eine Ummantelung, die der Nabe gegenüberliegt und eine Laufradkammer definiert, wobei die Laufradkammer das Laufrad aufnimmt. Ein kleinerer der Winkel, die von jeder der Schaufeln und einer Meridianfläche gebildet werden, wird als Schaufelwinkel definiert. Ein Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Seite der Nabe der Schaufel hat einen Minimalwert zwischen einer nabenseitigen Vorderkante und einer nabenseitigen Hinterkante der Schaufel. Der Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Seite der Ummantelung der Schaufel hat einen Minimalwert zwischen einer mantelseitigen Vorderkante und einer mantelseitigen Hinterkante der Schaufel. Der Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite der Nabe der Schaufel ist ständig kleiner oder gleich dem Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite des Ummantelung der Schaufel zwischen der nabenseitigen Vorderkante und der nabenseitigen Hinterkante. Der Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite der Ummantelung ist kleiner als der Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite der Ummantelung. Der Absolutwert des Schaufelwinkels an der nabenseitigen Hinterkante ist größer als der Absolutwert des Schaufelwinkels an der nabenseitigen Vorderkante.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Teil des Zentrifugalverdichters der Brennstoffzelle zeigt.
3 ist ein Diagramm, das die Form einer Meridianfläche des Laufrads zeigt.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Schaufelwinkel und einer dimensionslosen Meridianlänge zeigt.
5 ist ein Diagramm, das das Druckverhältnis und die Durchflussmenge des Zentrifugalverdichters der Brennstoffzelle zeigt.

MODI ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter gemäß einer Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben. Der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, das in ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, eingebaut ist.
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet ein Brennstoffzellensystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 11 und einen Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12, der die als Oxidationsmittelgas dienende Luft verdichtet. Der Brennstoffzellenstapel 11 wird mit der vom Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 verdichteten Luft versorgt. Der Brennstoffzellenstapel 11 beinhaltet z. B. Zellen. Jede Zelle beinhaltet eine gestapelte Struktur aus einer Sauerstoffelektrode, einer Wasserstoffelektrode und einem Elektrolytfilm, der zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Im Brennstoffzellenstapel 11 wird elektrische Leistung durch die chemische Reaktion von Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff in der Luft erzeugt.
Der Brennstoffzellenstapel 11 ist elektrisch mit einem Fahrmotor (nicht dargestellt) verbunden. Der Fahrmotor wird mit der vom Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten elektrischen Leistung als Leistungsquelle angetrieben. Die Leistung des Fahrmotors wird über einen Kraftübertragungsmechanismus (nicht dargestellt) auf die Achse übertragen, so dass das Fahrzeug mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit fährt, die einem Öffnungsgrad des Fahrpedals entspricht.
Der Brennstoffzellenstapel 11 beinhaltet eine Versorgungsöffnung 11a, in die Luft zugeführt wird, eine Auslassöffnung 11b, aus der Luft als Auslassgas ausgestoßen wird, und einen Verbindungskanal 11c, der die Versorgungsöffnung 11a mit der Auslassöffnung 11b verbindet. In dem Verbindungskanal 11c strömt die von der Versorgungsöffnung 11a zugeführte Luft zur Auslassöffnung 11b.
Der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 beinhaltet ein Gehäuse 13, eine Drehwelle 14 und einen Elektromotor 15. Die Drehwelle 14 und der Elektromotor 15 sind in dem Gehäuse 13 aufgenommen. Der Elektromotor 15 dreht die Drehwelle 14. Der Elektromotor 15 wird durch die Versorgung mit elektrischer Leistung von einer Batterie (nicht dargestellt) angetrieben, um die Drehwelle 14 zu drehen.
Der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 beinhaltet außerdem ein Laufrad 16, das sich dreht, um Luft zu verdichten. Das Laufrad 16 ist mit einem Ende der Drehwelle 14 verbunden. Wenn sich die Drehwelle 14 dreht, dreht sich das Laufrad 16 zusammen mit der Drehwelle 14. Wenn sich das Laufrad 16 im Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 dreht, wird ein Verdichtungsvorgang durchgeführt.
Das Gehäuse 13 beinhaltet eine Ansaugöffnung 13a, in die Luft angesaugt wird, und einen Auslass 13b, aus dem Luft abgegeben wird. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner einen Verdichterkanal 17. Der Verdichterkanal 17 ist z.B. ein Rohr. Ein Ende des Verdichterkanals 17 ist der Atmosphäre ausgesetzt. Das andere Ende des Verdichterkanals 17 ist mit der Ansaugöffnung 13a verbunden. Außenluft strömt durch den Verdichterkanal 17 und wird in die Ansaugöffnung 13a gesaugt. Der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 verdichtet die aus der Ansaugöffnung 13a angesaugte Luft. Die vom Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 verdichtete Luft wird aus dem Auslass 13b abgeleitet.
Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Versorgungskanal 18, der den Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 mit dem Brennstoffzellenstapel 11 verbindet. Der Versorgungskanal 18 ist zum Beispiel ein Rohr. Ein Ende des Versorgungskanals 18 ist mit dem Auslass 13b verbunden. Das andere Ende des Versorgungskanals 18 ist mit der Versorgungsöffnung 11a verbunden. Die aus dem Auslass 13b austretende Luft strömt durch den Versorgungskanal 18 und wird der Versorgungsöffnung 11a zugeführt.
Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Turbine 20 mit einem Turbinenrad 19, das durch das aus dem Brennstoffzellenstapel 11 austretende Abgas in Drehung versetzt wird. Die Turbine 20 beinhaltet ein Turbinengehäuse 22. Die Turbine 20 beinhaltet eine Turbinenkammer 23, die in dem Turbinengehäuse 22 definiert ist. In der Turbinenkammer 23 ist das Turbinenrad 19 aufgenommen.
Das Turbinengehäuse 22 beinhaltet einen Einlass 22a, in den Entladungsgas angesaugt wird, und eine Auslassöffnung 22b, aus der das Entladungsgas, das die Turbinenkammer 23 durchlaufen hat, ausgelassen wird. Ferner beinhaltet das Brennstoffzellensystem 10 einen Auslasskanal 24, der den Brennstoffzellenstapel 11 mit der Turbine 20 verbindet. Der Auslasskanal 24 ist z. B. ein Rohr. Ein Ende des Auslasskanals 24 ist mit der Auslassöffnung 11b verbunden. Das andere Ende des Auslasskanals 24 ist mit dem Einlass 22a verbunden. Das aus der Auslassöffnung 11b ausgestoßene Abgas strömt durch den Auslasskanal 24 und wird in den Einlass 22a gesaugt.
Die Turbine 20 beinhaltet einen Ansaugkanal 25, der die Turbinenkammer 23 mit dem Auslasskanal 24 verbindet. Das durch den Auslasskanal 24 strömende Abgas wird durch den Ansaugkanal 25 in die Turbinenkammer 23 gesaugt. Der Ansaugkanal 25 befindet sich im Turbinengehäuse 22 und verbindet den Einlass 22a mit der Turbinenkammer 23. Somit ist der Ansaugkanal 25 über den Einlass 22a mit dem Auslasskanal 24 verbunden. Das Turbinenrad 19 wird gedreht durch das aus dem Brennstoffzellenstapel 11 ausgestoßene und durch den Auslasskanal 24, den Einlass 22a und den Ansaugkanal 25 in die Turbinenkammer 23 gesaugte Abgas.
Wenn sich das Turbinenrad 19 im Brennstoffzellensystem 10 dreht, wird die Austrittsenergie des Austrittsgases als mechanische Energie extrahiert, so dass der mit dem Turbinenrad 19 verbundene Motor (nicht dargestellt) als elektrischer Generator funktioniert und dadurch eine regenerative elektrische Leistung im Motor erzeugt. Die im Motor erzeugte regenerative elektrische Leistung wird in der Batterie (nicht dargestellt) gespeichert und beispielsweise als elektrische Leistungsquelle für den Fahrmotor verwendet.
Die Turbine 20 beinhaltet ein Druckeinstellventil 26, das den Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 25 und den Druck, der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft einstellt. Das Druckeinstellventil 26 beinhaltet z.B. in Umfangsrichtung angeordnete Düsenschaufeln an einer äußeren Umfangsposition des Turbinenrades 19 und einen Drehmechanismus, der die Düsenschaufeln in Drehung versetzt. Der Strömungsquerschnitt des Ansaugkanals 25 wird durch den die Düsenschaufeln drehenden Drehmechanismus eingestellt.
Der Brennstoffzellenstapel 11 beinhaltet eine Steuervorrichtung 30. Die Steuervorrichtung 30 ist elektrisch mit dem Elektromotor 15 verbunden. Die Steuervorrichtung 30 steuert den Antrieb des Elektromotors 15. Weiterhin ist die Steuervorrichtung 30 elektrisch mit dem Druckeinstellventil 26 verbunden. Die Steuervorrichtung 30 bezieht sich beispielsweise auf die Art der Betätigung des Gaspedals, um eine vom Brennstoffzellenstapel 11 angeforderte elektrische Leistungserzeugungsmenge zu berechnen. Die Steuervorrichtung 30 bezieht sich auf die angeforderte Leistungserzeugungsmenge, um einen Zielöffnungsgrad des Druckeinstellventils 26 zu erhalten. Die Steuervorrichtung 30 steuert den Öffnungsgrad des Druckeinstellventils 26 so, dass der Öffnungsgrad des Druckeinstellventils 26 dem ermittelten Zielöffnungsgrad entspricht. Der Druck, der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft wird durch die Steuervorrichtung 30 eingestellt, die den Öffnungsgrad des Druckeinstellventils 26 steuert. Der Öffnungsgrad des Druckeinstellventils 26 entspricht dem Drehwinkel jeder der Düsenschaufeln. Die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 11 wird durch die Einstellung des Drucks der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft geregelt. Damit im Brennstoffzellenstapel 11 effektiv elektrische Leistung erzeugt werden kann, wird die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 11 auf eine im Voraus festgelegte gewünschte Feuchtigkeit eingestellt.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet das Gehäuse 13 ein Verdichtergehäuse 31 und ein Lagergehäuse 32. Das Verdichtergehäuse 31 beinhaltet die Ansaugöffnung 13a und hat eine rohrförmige Form mit einem geschlossenen Ende. Das Lagergehäuse 32 hat eine kreisförmige Form und verschließt die Öffnung des Verdichtergehäuses 31. Das Verdichtergehäuse 31 beinhaltet eine Laufradkammer 33, die das Laufrad 16 aufnimmt. Die Laufradkammer 33 ist mit der Ansaugöffnung 13a verbunden. Ein Ende der Drehwelle 14 erstreckt sich durch das Lagergehäuse 32 und ragt in die Laufradkammer 33 hinein. Die Drehwelle 14 ist im Lagergehäuse 32 durch ein Lager 32a drehbar gelagert. Die Ansaugöffnung 13a erstreckt sich in axialer Richtung der Drehwelle 14.
Das Verdichtergehäuse 31 beinhaltet eine Auslasskammer 34, aus der die durch das Laufrad 16 verdichtete Luft ausgestoßen wird, und einen Diffusorkanal 35, der die Laufradkammer 33 mit der Auslasskammer 34 verbindet. Der Diffusorkanal 35 befindet sich an der Außenseite der Laufradkammer 33 in radialer Richtung der Drehwelle 14 und hat eine ringförmige Form um das Laufrad 16 (Laufradkammer 33). Die Auslasskammer 34 ist ringförmig und befindet sich an der Außenseite des Diffusorkanals 35 in radialer Richtung der Drehwelle 14. Die vom Laufrad 16 verdichtete Luft strömt durch den Diffusorkanal 35, wird weiter verdichtet und dann in die Auslasskammer 34 ausgestoßen. Die Luft in der Auslasskammer 34 wird aus dem Auslass 13b in den Versorgungskanal 18 abgeleitet und durch den Versorgungskanal 18 und die Versorgungsöffnung 11a dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführt. Dementsprechend verdichtet das Laufrad 16 die dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführte Luft.
Wie in 3 dargestellt, beinhaltet das Laufrad 16 eine Nabe 41, die integral mit der Drehwelle 14 rotiert, und Schaufeln 42, die in Umfangsrichtung der Nabe 41 angeordnet sind. Die Nabe 41 ist mit einem Ende der Drehwelle 14 verbunden. Die Nabe 41 hat eine im Wesentlichen konische Form, bei der ihr Außendurchmesser vom vorderen Ende in der Nähe der Ansaugöffnung 13a zum hinteren Ende hin zunimmt. Die Nabe 41 beinhaltet eine gekrümmte Oberfläche, die in Richtung der Achse der Drehwelle 14 zurückgesetzt ist. Die Schaufeln 42 sind in gleichen Abständen in Umfangsrichtung auf der Nabe 41 angeordnet. Da der Außendurchmesser der Nabe 41 vom vorderen Ende zum hinteren Ende hin zunimmt, vergrößert sich der Abstand zwischen benachbarten Schaufeln 42 in Umfangsrichtung der Nabe 41 allmählich vom vorderen Ende zum hinteren Ende der Nabe 41.
Der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 beinhaltet eine Ummantelung 50, die die Laufradkammer 33 definiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Ummantelung 50 ein Teil des Verdichtergehäuses 31. Die Ummantelung 50 liegt der Nabe 41 gegenüber und erstreckt sich entlang der Oberfläche der Nabe 41. Die Ummantelung 50 umgibt die Schaufeln 42. Zwei benachbarte Schaufeln 42 in Umfangsrichtung der Nabe 41, die Nabe 41 und die Ummantelung 50 bilden einen Schaufelkanal 51.
3 zeigt die Form einer Meridianfläche jeder der Schaufeln 42. Die Schaufel 42 beinhaltet einen nabenseitigen Meridian Li, der näher an der Nabe 41 ist, und einen mantelseitigen Meridian L2, der näher an der Ummantelung 50 ist. Die Meridianfläche der Schaufel 42 bezieht sich auf einen vertikalen Querschnitt, der durch den nabenseitigen Meridian L1, den mantelseitigen Meridian L2 und die Achse der Drehwelle 14 verläuft. Das vordere Ende des nabenseitigen Meridians L1 ist eine nabenseitige Vorderkante a1 der Schaufel 42. Das hintere Ende des nabenseitigen Meridians L1 ist eine nabenseitige Hinterkante a2 der Schaufel 42. Das vordere Ende des mantelseitigen Meridians L2 ist eine mantelseitige Vorderkante b1 der Schaufel 42. Das hintere Ende des mantelseitigen Meridians L2 ist eine mantelseitige Hinterkante b2 der Schaufel 42. Die Kante, die die nabenseitige Vorderkante a1 mit der mantelseitigen Vorderkante b1 verbindet, ist eine Vorderkante 42a der Schaufel 42. Die Kante, die die nabenseitige Hinterkante a2 mit der mantelseitigen Hinterkante b2 verbindet, ist eine Hinterkante 42b der Schaufel 42.
Der Abstand Lh von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur nabenseitigen Vorderkante a1 der Schaufel 42 in axialer Richtung der Drehwelle 14 ist größer als der Abstand Ls von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur mantelseitigen Vorderkante b1 in axialer Richtung der Drehwelle 14.
Der nabenseitige Meridian L1 bestimmt die Form der Schaufel 42 auf der Seite der Nabe 41 (d. h. die Form des basalen Endes). Der mantelseitige Meridian L2 bestimmt die Form der Schaufel 42 auf der Seite der Ummantelung 50 (d. h. die Form des distalen Endes). Somit ist die gesamte Form der Schaufel 42 dreidimensional. Der nabenseitige Meridian L1 ist eine gekrümmte Linie, die durch einen von der Schaufel 42 und der Meridianfläche gebildeten Schaufelwinkel β quantifiziert wird. Der mantelseitige Meridian L2 ist eine gekrümmte Linie, die durch den von der Schaufel 42 und der Meridianfläche gebildeten Schaufelwinkel β quantifiziert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist der kleinere der von der Schaufel 42 und der Meridianfläche gebildeten Winkel als Schaufelwinkel β definiert. Der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 ist anders als der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2. Der Schaufelwinkel β hat je nach Position auf dem nabenseitigen Meridian L1 einen anderen Wert. Der Schaufelwinkel β hat je nach Position auf dem mantelseitigen Meridian L2 einen anderen Wert. Der Schaufelwinkel β an einer bestimmten Position auf dem nabenseitigen Meridian L1 ist definiert als der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 oder ein nabenseitiger Schaufelwinkel β. Der Schaufelwinkel β an einer bestimmten Position auf dem mantelseitigen Meridian L2 ist definiert als der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 oder ein mantelseitiger Schaufelwinkel β.
In 4 stellt die vertikale Achse den Schaufelwinkel β der Schaufel 42 dar, und die horizontale Achse stellt eine dimensionslose Meridianlänge S dar. Der Schaufelwinkel β hat einen negativen Wert.
Der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 hat einen Maximalwert aMAX zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2 der Schaufel 42. Entsprechend hat der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Nabe 41 der Schaufel 42 einen Minimalwert zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2 der Schaufel 42. Der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 hat den Maximalwert aMAX an einem Punkt auf dem nabenseitigen Meridian Li, der näher an der nabenseitigen Vorderkante a1 liegt als ein Zwischenpunkt CT.
Der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 hat einen Maximalwert bMAX zwischen der mantelseitigen Vorderkante b1 und der mantelseitigen Hinterkante b2 der Schaufel 42. Dementsprechend hat der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Ummantelung 50 der Schaufel 42 einen Minimalwert zwischen der mantelseitigen Vorderkante b1 und der mantelseitigen Hinterkante b2 der Schaufel 42. Der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 hat den Maximalwert bMAX an einem Punkt des mantelseitigen Meridians L2, der näher an der mantelseitigen Hinterkante b2 ist als der Zwischenpunkt CT.
Der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 ist ständig größer als oder gleich dem Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2. Dementsprechend ist der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Nabe 41 der Schaufel 42 ständig kleiner oder gleich dem Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Ummantelung 50 der Schaufel 42 zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2.
Der Schaufelwinkel β der mantelseitigen Hinterkante b2 ist größer als der Schaufelwinkel β der mantelseitigen Vorderkante b1. Entsprechend ist der Absolutwert des Schaufelwinkels β der mantelseitigen Hinterkante b2 kleiner als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der mantelseitigen Vorderkante b1. Der Schaufelwinkel β der mantelseitigen Vorderkante b1 ist ein Minimalwert bMIN bei dem Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2.
Der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Hinterkante a2 fällt mit dem Schaufelwinkel β der mantelseitigen Hinterkante b2 zusammen. Der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Hinterkante a2 hat einen Minimalwert aMIN bei dem Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1. Der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Hinterkante a2 ist kleiner als der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Vorderkante a1. Entsprechend ist der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 größer als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1.
Die Länge X1 des mantelseitigen Meridians L2 von der mantelseitigen Vorderkante b1 bis zu einem Punkt, an dem der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 einen Maximalwert hat, ist zwei oder mehrfach größer als die Länge X2 des nabenseitigen Meridians L1 von der nabenseitigen Vorderkante a1 bis zu einem Punkt, an dem der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 einen Maximalwert hat.
Die Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben.
Was die Schaufel 42 des Laufrades 16 betrifft, so hat der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Nabe 41 der Schaufel 42 den Minimalwert zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2 der Schaufel 42. Der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Ummantelung 50 des Schaufelblatts 42 hat den Minimalwert zwischen der mantelseitigen Vorderkante b1 und der mantelseitigen Hinterkante b2 des Schaufelblatts 42. Der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Nabe 41 der Schaufel 42 ist ständig kleiner als oder gleich dem Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Ummantelung 50 der Schaufel 42 zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2. Der Absolutwert des Schaufelwinkels β der mantelseitigen Hinterkante b2 ist kleiner als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der mantelseitigen Vorderkante b1.
In Bezug auf die so gestaltete Schaufel 42 haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 kleiner ist als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1 und die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 (Schaufelkanal 51) strömenden Luft gering ist, ein Pumpen auftritt, so dass sich die Strömung der Luft entlang der Schaufel 42 umkehrt. Insbesondere tritt Pumpen leicht auf, wenn der Austrittsdruck hoch und die Durchflussmenge der Luft, die entlang der Schaufel 42 strömt, niedrig ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 größer eingestellt als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1.
5 zeigt eine Pumpgrenze L11 der vorliegenden Ausführungsform, die Grenzpunkte verbindet, an denen kein Pumpen auftritt, und eine Pumpgrenze L12 eines Vergleichsbeispiels, das in 5 durch die lang-gestrichelte doppelt-kurz gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Pumpgrenze L11 bewegt sich in eine Richtung, in der ihre Durchflussmenge geringer wird als die Durchflussmenge der Pumpgrenze L12. In 5 ist die Pumpgrenze L12 als Vergleichsbeispiel für den Fall dargestellt, dass der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 kleiner ist als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1.
Auf diese Weise wird der Betriebsbereich des Brennstoffzellenverdichters 12 um einen Betrag vergrößert, der dem durch die schräge Linie in 5 dargestellten Bereich A1 entspricht. Auf diese Weise wird der Betriebsbereich des Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichters 12 vergrößert, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft niedrig und der Austrittsdruck hoch ist. Dadurch wird das Auftreten von Pumpen verhindert, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft niedrig und der Auslassdruck hoch ist.
Wenn im Brennstoffzellensystem 10 beispielsweise der Brennstoffzellenstapel 11 übermäßig mit Luft versorgt wird, sinkt die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 11. Selbst wenn die Durchflussmenge der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft gering ist, nimmt die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 11 leicht ab, wenn der Druck der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft niedrig ist. Die Abnahme der Luftfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel 11 senkt den Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 11. Um den Wirkungsgrad der elektrischen Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 aufrechtzuerhalten, muss dem Brennstoffzellenstapel 11 daher Luft mit hohem Druck zugeführt werden, wenn die Durchflussmenge der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft niedrig ist.
Bei dem Brennstoffzellen-Zentrifugalkompressor 12 der vorliegenden Ausführungsform wird der Betriebsbereich des Brennstoffzellen-Zentrifugalkompressors 12 vergrößert, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft niedrig und der Austrittsdruck hoch ist. Dadurch wird das Auftreten von Pumpen verhindert, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft niedrig und der Austrittsdruck hoch ist. Wenn also die Durchflussmenge der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft niedrig ist, wird der Druck der dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführten Luft hoch eingestellt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 aufrechterhalten.
Die oben beschriebene Ausführungsform bietet die folgenden Vorteile.
(1) In Bezug auf die in der oben beschriebenen Weise gestaltete Schaufel 42 haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 kleiner ist als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1 und die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft gering ist, ein Pumpen auftritt, so dass sich die Strömung der Luft entlang der Schaufel 42 umkehrt. Insbesondere tritt das Pumpen leicht auf, wenn der Austrittsdruck hoch und die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft niedrig ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 größer eingestellt als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Vorderkante a1. Dadurch wird der Betriebsbereich des Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichters 12 bei geringer Durchflussmenge der Luft und hohem Austrittsdruck vergrößert. Dadurch wird das Auftreten von Pumpen verhindert, wenn die Durchflussmenge der entlang der Schaufel 42 strömenden Luft gering und der Austrittsdruck hoch ist.
Die oben beschriebene Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Die oben beschriebene Ausführungsform und die folgenden Modifikationen können kombiniert werden, solange die kombinierten Modifikationen technisch miteinander übereinstimmen.
In der Ausführungsform kann der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 den Maximalwert aMAX z.B. an einem Punkt auf dem nabenseitigen Meridian L1 haben, der näher an der nabenseitigen Hinterkante a2 liegt als der Zwischenpunkt CT.
In der Ausführungsform kann der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 den Maximalwert aMAX beispielsweise an dem Zwischenpunkt CT des nabenseitigen Meridians L1 haben.
In der Ausführungsform kann der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 den Maximalwert aMAX beispielsweise an einem Punkt auf dem mantelseitigen Meridian L2 haben, der näher an der mantelseitigen Vorderkante b1 liegt als der Zwischenpunkt CT.
In der Ausführungsform kann der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 den Maximalwert bMAX beispielsweise an dem Zwischenpunkt CT des mantelseitigen Meridians L2 haben.
Bei der Ausführungsform muss der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Hinterkante a2 nicht mit dem Schaufelwinkel β der mantelseitigen Hinterkante b2 übereinstimmen, und der Schaufelwinkel β der nabenseitigen Hinterkante a2 kann größer sein als der Schaufelwinkel β der mantelseitigen Hinterkante b2. Das heißt, der Absolutwert des Schaufelwinkels β der nabenseitigen Hinterkante a2 kann kleiner sein als der Absolutwert des Schaufelwinkels β der mantelseitigen Hinterkante b2. Kurz gesagt, der Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Nabe 41 der Schaufel 42 muss lediglich ständig kleiner oder gleich dem Absolutwert des Schaufelwinkels β auf der Seite der Ummantelung 50 der Schaufel 42 zwischen der nabenseitigen Vorderkante a1 und der nabenseitigen Hinterkante a2 sein.
In der Ausführungsform kann der Abstand Lh von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur nabenseitigen Vorderkante a1 der Schaufel 42 in axialer Richtung der Drehwelle 14 gleich dem Abstand Ls von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur mantelseitigen Vorderkante b1 in axialer Richtung der Drehwelle 14 sein.
In der Ausführungsform kann der Abstand Lh von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur nabenseitigen Vorderkante a1 der Schaufel 42 in der axialen Richtung der Drehwelle 14 kürzer sein als der Abstand Ls von der nabenseitigen Hinterkante a2 zur mantelseitigen Vorderkante b1 in der axialen Richtung der Drehwelle 14.
In der Ausführungsform muss die Länge X1 des mantelseitigen Meridians L2 von der mantelseitigen Vorderkante b1 bis zu dem Punkt, an dem der Schaufelwinkel β des mantelseitigen Meridians L2 den Maximalwert hat, nicht zwei oder mehrfach größer sein als die Länge X2 des nabenseitigen Meridians L1 von der nabenseitigen Vorderkante a1 bis zu dem Punkt, an dem der Schaufelwinkel β des nabenseitigen Meridians L1 den Maximalwert hat.
In der Ausführungsform ist die Ummantelung 50 ein Teil des Verdichtergehäuses 31. Stattdessen kann die Ummantelung vom Verdichtergehäuse 31 getrennt sein.
Bei der Ausführungsform kann das Oxidationsmittelgas jede Art von sauerstoffhaltigem Gas sein.
In der Ausführungsform muss der Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter 12 nicht in dem Brennstoffzellensystem 10 verwendet werden, das in ein Fahrzeug wie ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug eingebaut ist.

Claims

Brennstoffzellen-Zentrifugalverdichter, umfassend: ein Laufrad, das eine Nabe und Schaufeln enthält und so konfiguriert ist, dass es einem Brennstoffzellenstapel zugeführtes Oxidationsmittelgas verdichtet, wobei die Nabe so konfiguriert ist, dass sie sich integral mit einer Drehwelle dreht, wobei die Schaufeln in einer Umfangsrichtung der Nabe angeordnet sind; und eine Ummantelung, die der Nabe gegenüberliegt und eine Laufradkammer definiert, wobei die Laufradkammer das Laufrad aufnimmt, wobei ein kleinerer von Winkeln, von jeder der Schaufeln und einer Meridianfläche gebildet, als ein Schaufelwinkel definiert ist, ein Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Seite der Nabe der Schaufel einen Minimalwert zwischen einer nabenseitigen Vorderkante und einer nabenseitigen Hinterkante der Schaufel hat, ein Absolutwert des Schaufelwinkels auf einer Seite der Ummantelung der Schaufel einen Minimalwert zwischen einer mantelseitigen Vorderkante und einer mantelseitigen Hinterkante der Schaufel hat, der Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite der Nabe der Schaufel ständig kleiner oder gleich dem Absolutwert des Schaufelwinkels auf der Seite der Ummantelung der Schaufel zwischen der nabenseitigen Vorderkante und der nabenseitigen Hinterkante ist, der Absolutwert des Schaufelwinkels der mantelseitigen Hinterkante kleiner ist als der Absolutwert des Schaufelwinkels der mantelseitigen Vorderkante, und der Absolutwert des Schaufelwinkels der nabenseitigen Hinterkante größer ist als der Absolutwert des Schaufelwinkels der nabenseitigen Vorderkante.