WO2020196481A1 - 燃料電池用遠心圧縮機 - Google Patents

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WO2020196481A1
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blade
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fuel cell
blade angle
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亮 楳山
中根 芳之
享仁 國枝
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株式会社豊田自動織機
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Definitions

  • the present disclosure relates to a centrifugal compressor for a fuel cell that compresses an oxidant gas supplied to a fuel cell stack.
  • a fuel cell system includes a fuel cell centrifugal compressor that compresses air supplied to a fuel cell stack.
  • the centrifugal compressor for fuel cells is equipped with an impeller that compresses air.
  • the impeller has a hub that rotates integrally with the axis of rotation, and a plurality of wings arranged in the circumferential direction of the hub.
  • the centrifugal compressor for a fuel cell is provided with a shroud which is arranged so as to face the hub and forms an impeller chamber for accommodating the impeller.
  • the humidity in the fuel cell stack decreases.
  • the humidity in the fuel cell stack tends to decrease.
  • a decrease in humidity in the fuel cell stack causes a decrease in power generation efficiency of the fuel cell stack. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency of the fuel cell stack, it is required that the pressure of the air supplied to the fuel cell stack is high when the air flow supplied to the fuel cell stack is small.
  • the centrifugal compressor for a fuel cell has a problem that when the air flowing along the blade has a small flow rate, surging occurs in which the air flow along the blade causes a backflow. In particular, if the discharge pressure is high when the air flowing along the blade has a small flow rate, surging is likely to occur. When surging occurs, the operation of the fuel cell centrifugal compressor becomes unstable.
  • An object of the present disclosure is to provide a centrifugal compressor for a fuel cell capable of suppressing the occurrence of surging when the oxidant gas flowing along the blade has a small flow rate and the discharge pressure is high.
  • a fuel cell centrifugal compressor that achieves the above object has a hub that rotates integrally with a rotation shaft, and a plurality of wings arranged in the circumferential direction of the hub, and oxidant gas supplied to the fuel cell stack. It includes an impeller configured to be compressed and a shroud that is arranged to face the hub and forms an impeller chamber that houses the impeller.
  • the smaller angle between the wing and the meridional plane is defined as the wing angle.
  • the absolute value of the blade angle on the hub side of the blade has a minimum value between the hub side front edge and the hub side trailing edge of the blade.
  • the absolute value of the blade angle on the shroud side of the blade has a minimum value between the shroud-side front edge and the shroud-side trailing edge of the blade.
  • the absolute value of the blade angle on the hub side of the blade is always equal to or less than the absolute value of the blade angle on the shroud side of the blade between the front edge on the hub side and the trailing edge on the hub side.
  • the absolute value of the blade angle of the trailing edge on the shroud side is smaller than the absolute value of the blade angle of the front edge on the shroud side.
  • the absolute value of the blade angle of the hub-side trailing edge is larger than the absolute value of the blade angle of the hub-side front edge.
  • the schematic block diagram of the fuel cell system in one Embodiment A side sectional view showing a part of a centrifugal compressor for a fuel cell.
  • the centrifugal compressor for a fuel cell of the present embodiment is used in a fuel cell system mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle, for example.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 11 and a fuel cell centrifugal compressor 12 that compresses air, which is an oxidant gas. Air compressed by the fuel cell centrifugal compressor 12 is supplied to the fuel cell stack 11.
  • the fuel cell stack 11 has, for example, a plurality of cells. Each cell is composed of a laminated oxygen electrode, a hydrogen electrode, and an electrolyte membrane arranged between the two electrodes. Then, the fuel cell stack 11 chemically reacts hydrogen, which is a fuel gas, with oxygen contained in air to generate electricity.
  • the fuel cell stack 11 is electrically connected to a traveling motor (not shown).
  • the traveling motor is driven by using the electric power generated by the fuel cell stack 11 as a power source.
  • the power of the traveling motor is transmitted to the axle via a power transmission mechanism (not shown), and the vehicle travels at a vehicle speed corresponding to the accelerator opening of the accelerator pedal.
  • the fuel cell stack 11 has a supply port 11a to which air is supplied, a discharge port 11b from which air is discharged as an exhaust gas, and a connection flow path 11c connecting the supply port 11a and the discharge port 11b. There is. In the connection flow path 11c, the air supplied from the supply port 11a flows toward the discharge port 11b.
  • the fuel cell centrifugal compressor 12 includes a housing 13, a rotating shaft 14 housed in the housing 13, and an electric motor 15 housed in the housing 13 and rotating the rotating shaft 14.
  • the electric motor 15 is driven by being supplied with electric power from a battery (not shown) to rotate the rotating shaft 14.
  • the centrifugal compressor 12 for a fuel cell is provided with an impeller 16 that rotates to compress air.
  • the impeller 16 is connected to one end of the rotating shaft 14. Then, the impeller 16 rotates integrally with the rotating shaft 14 by rotating the rotating shaft 14. In the fuel cell centrifugal compressor 12, the compression operation is performed by rotating the impeller 16.
  • the housing 13 has a suction port 13a for sucking air and a discharge port 13b for discharging air.
  • the fuel cell system 10 includes a flow path 17 for a compressor.
  • the compressor flow path 17 is composed of, for example, piping. One end of the compressor flow path 17 is open to the atmosphere, and the other end of the compressor flow path 17 is connected to the suction port 13a. Then, air from the outside flows through the flow path 17 for the compressor and is sucked into the suction port 13a.
  • the fuel cell centrifugal compressor 12 compresses the air sucked from the suction port 13a. Then, the air compressed by the fuel cell centrifugal compressor 12 is discharged from the discharge port 13b.
  • the fuel cell system 10 includes a supply flow path 18 that connects the fuel cell centrifugal compressor 12 and the fuel cell stack 11.
  • the supply flow path 18 is composed of, for example, piping. One end of the supply flow path 18 is connected to the discharge port 13b, and the other end of the supply flow path 18 is connected to the supply port 11a. Then, the air discharged from the discharge port 13b flows through the supply flow path 18 and is supplied to the supply port 11a.
  • the fuel cell system 10 includes a turbine 20 having a turbine wheel 19 that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11.
  • the turbine 20 has a turbine housing 22.
  • the turbine 20 has a turbine chamber 23 formed in the turbine housing 22.
  • the turbine chamber 23 accommodates the turbine wheel 19.
  • the turbine housing 22 has an introduction port 22a into which the exhaust gas is introduced and an exhaust port 22b in which the exhaust gas that has passed through the turbine chamber 23 is discharged.
  • the fuel cell system 10 includes a discharge flow path 24 that connects the fuel cell stack 11 and the turbine 20.
  • the discharge flow path 24 is composed of, for example, a pipe. One end of the discharge flow path 24 is connected to the discharge port 11b, and the other end of the discharge flow path 24 is connected to the introduction port 22a. Then, the exhaust gas discharged from the discharge port 11b flows through the discharge flow path 24 and is introduced into the introduction port 22a.
  • the turbine 20 has an introduction flow path 25 that connects the turbine chamber 23 and the discharge flow path 24 and introduces the exhaust gas flowing through the discharge flow path 24 into the turbine chamber 23.
  • the introduction flow path 25 is formed in the turbine housing 22 and communicates with the introduction port 22a and the turbine chamber 23. Therefore, the introduction flow path 25 is connected to the discharge flow path 24 via the introduction port 22a.
  • the turbine wheel 19 is discharged from the fuel cell stack 11 and is rotated by the exhaust gas introduced into the turbine chamber 23 via the discharge flow path 24, the introduction port 22a, and the introduction flow path 25.
  • the turbine wheel 19 rotates, the exhaust energy of the exhaust gas is extracted as mechanical energy, and a motor (not shown) connected to the turbine wheel 19 functions as a generator to regenerate power to the motor. Occurs. Then, the regenerative power generated in the motor is stored in a battery (not shown) and used as a power source for, for example, a traveling motor.
  • the turbine 20 has a pressure adjusting valve 26 that adjusts the cross section of the flow path of the introduction flow path 25 to adjust the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11.
  • the pressure regulating valve 26 has, for example, a plurality of nozzle vanes arranged in the circumferential direction at positions on the outer periphery of the turbine wheel 19, and a rotating mechanism portion for rotating the plurality of nozzle vanes. Then, the flow path cross section of the introduction flow path 25 is adjusted by rotating the plurality of nozzle vanes by the rotation mechanism unit.
  • the fuel cell stack 11 includes a control device 30.
  • the control device 30 is electrically connected to the electric motor 15. Then, the control device 30 controls the drive of the electric motor 15. Further, the control device 30 is electrically connected to the pressure regulating valve 26.
  • the control device 30 calculates the required power generation amount required for the fuel cell stack 11 based on the operation mode of the accelerator pedal and the like, and derives the target opening degree of the pressure adjusting valve 26 based on the required power generation amount.
  • the control device 30 controls the opening degree of the pressure adjusting valve 26 so that the opening degree of the pressure adjusting valve 26 becomes the derived target opening degree. Then, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 is adjusted by controlling the opening degree of the pressure adjusting valve 26 by the control device 30.
  • the opening degree of the pressure adjusting valve 26 is the rotation angle of the plurality of nozzle vanes. Then, the humidity in the fuel cell stack 11 is adjusted by adjusting the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11. The humidity in the fuel cell stack 11 is adjusted to a predetermined desired humidity in order to efficiently generate electricity in the fuel cell stack 11.
  • the housing 13 has a bottomed cylindrical compressor housing 31 having a suction port 13a and a disc-shaped bearing housing 32 that closes the opening of the compressor housing 31.
  • An impeller chamber 33 for accommodating the impeller 16 is formed in the compressor housing 31.
  • the impeller chamber 33 communicates with the suction port 13a.
  • One end of the rotating shaft 14 penetrates the bearing housing 32 and projects into the impeller chamber 33.
  • the rotating shaft 14 is rotatably supported by the bearing housing 32 via the bearing 32a.
  • the suction port 13a extends in the axial direction of the rotating shaft 14.
  • the compressor housing 31 has a discharge chamber 34 from which air compressed by the impeller 16 is discharged, and a diffuser flow path 35 that communicates the impeller chamber 33 and the discharge chamber 34.
  • the diffuser flow path 35 is arranged radially outside the rotation shaft 14 with respect to the impeller chamber 33, and is formed in an annular shape around the impeller 16 (impeller chamber 33).
  • the discharge chamber 34 is an annular shape arranged radially outside the rotating shaft 14 with respect to the diffuser flow path 35. The air compressed by the impeller 16 passes through the diffuser flow path 35, is further compressed, and is discharged to the discharge chamber 34.
  • the air in the discharge chamber 34 is discharged from the discharge port 13b to the supply flow path 18, and is supplied to the fuel cell stack 11 via the supply flow path 18 and the supply port 11a. Therefore, the impeller 16 compresses the air supplied to the fuel cell stack 11.
  • the impeller 16 has a hub 41 that rotates integrally with the rotation shaft 14, and a plurality of wings 42 arranged in the circumferential direction of the hub 41.
  • the hub 41 is attached to one end of the rotating shaft 14.
  • the hub 41 has a substantially conical shape in which the outer diameter increases from the front end portion located near the suction port 13a toward the rear end portion, and has a surface that is a curved surface recessed toward the axis of the rotating shaft 14. are doing.
  • the plurality of wings 42 are arranged on the surface of the hub 41 at equal intervals in the circumferential direction. Since the outer diameter of the hub 41 increases from the front end to the rear end, the distance between the blades 42 adjacent to each other in the circumferential direction of the hub 41 increases from the front end to the rear end of the hub 41. It gradually becomes wider.
  • the fuel cell centrifugal compressor 12 includes a shroud 50 that forms the impeller chamber 33.
  • the shroud 50 is part of the compressor housing 31.
  • the shroud 50 is arranged to face the hub 41 and extends along the surface of the hub 41.
  • the shroud 50 surrounds a plurality of wings 42.
  • the inter-blade passage 51 is partitioned by a pair of blades 42, a hub 41, and a shroud 50 that are adjacent to each other in the circumferential direction of the hub 41.
  • FIG. 3 shows the meridional shape of the wing 42.
  • the wing 42 is formed including a hub-side meridian L1 which is a meridian on the hub 41 side and a shroud-side meridian L2 which is a meridian on the shroud 50 side.
  • the meridian plane of the wing 42 is a vertical cross section that passes through the hub side meridian L1, the shroud side meridian L2, and the axis of the rotation axis 14. Then, the front end of the hub-side meridian L1 becomes the hub-side front edge a1 of the wing 42, and the rear end of the hub-side meridian L1 becomes the hub-side rear edge a2 of the wing 42.
  • the front end of the shroud side meridian L2 becomes the shroud side front edge b1 of the wing 42
  • the rear end of the shroud side meridian L2 becomes the shroud side rear edge b2 of the wing 42.
  • the edge connecting the hub-side front edge a1 and the shroud-side front edge b1 is the front edge 42a of the wing 42.
  • the edge connecting the hub-side trailing edge a2 and the shroud-side trailing edge b2 is the trailing edge 42b of the wing 42.
  • the distance Lh in the axial direction of the rotating shaft 14 from the hub-side trailing edge a2 of the blade 42 to the hub-side front edge a1 is the axial direction of the rotating shaft 14 from the hub-side trailing edge a2 of the blade 42 to the shroud-side front edge b1.
  • the distance is longer than Ls.
  • the shape of the hub 41 side and the base end of the wing 42 is determined by the hub side meridian L1, and the shape of the shroud 50 side, that is, the tip is determined by the shroud side meridian L2, and has a three-dimensional shape as a whole.
  • the hub-side meridian L1 is a curve quantified by the blade angle ⁇ , which is the angle formed by the blade 42 and the meridian surface.
  • the shroud-side meridian L2 is a curve quantified by the blade angle ⁇ , which is the angle formed by the blade 42 and the meridian plane.
  • the smaller angle between the wing 42 and the meridional surface is defined as the wing angle ⁇ .
  • the blade angle ⁇ has different values for the hub side meridian L1 and the shroud side meridian L2.
  • the blade angle ⁇ has a different value depending on the position on the hub side meridian L1.
  • the blade angle ⁇ has a different value depending on the position on the shroud side meridian L2.
  • the blade angle ⁇ at an arbitrary position on the hub side meridian L1 is defined as the blade angle ⁇ of the hub side meridian L1 or the blade angle ⁇ on the hub side.
  • the blade angle ⁇ at an arbitrary position on the shroud side meridian L2 is defined as the blade angle ⁇ of the shroud side meridian L2 or the blade angle ⁇ on the shroud side.
  • the blade angle ⁇ of the blade 42 is shown on the vertical axis, and the dimensionless meridian length S is shown on the horizontal axis.
  • the wing angle ⁇ is a negative value.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1 has a maximum value aMAX between the hub-side front edge a1 and the hub-side trailing edge a2 of the blade 42. Therefore, the absolute value of the blade angle ⁇ on the hub 41 side of the blade 42 has a minimum value between the hub side front edge a1 and the hub side trailing edge a2 of the blade 42.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1 has a maximum value aMAX closer to the hub-side front edge a1 than the midpoint CT of the hub-side meridian L1.
  • the blade angle ⁇ of the shroud-side meridian L2 has a maximum value bMAX between the shroud-side front edge b1 and the shroud-side trailing edge b2 of the blade 42. Therefore, the absolute value of the blade angle ⁇ on the shroud 50 side of the blade 42 has a minimum value between the shroud side front edge b1 and the shroud side trailing edge b2 of the blade 42.
  • the blade angle ⁇ of the shroud-side meridian L2 has a maximum value bMAX closer to the shroud-side trailing edge b2 than the midpoint CT of the shroud-side meridian L2.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1 is always equal to or greater than the blade angle ⁇ of the shroud-side meridian L2 between the hub-side front edge a1 and the hub-side trailing edge a2. Therefore, the absolute value of the blade angle ⁇ on the hub 41 side of the blade 42 is always equal to or less than the absolute value of the blade angle ⁇ on the shroud 50 side of the blade 42 between the hub side front edge a1 and the hub side trailing edge a2.
  • the blade angle ⁇ of the shroud side trailing edge b2 is larger than the blade angle ⁇ of the shroud side front edge b1. Therefore, the absolute value of the blade angle ⁇ of the shroud side trailing edge b2 is smaller than the absolute value of the blade angle ⁇ of the shroud side front edge b1.
  • the blade angle ⁇ of the shroud side front edge b1 is the minimum value bMIN at the blade angle ⁇ of the shroud side meridian L2.
  • the blade angle ⁇ at the hub side trailing edge a2 and the blade angle ⁇ at the shroud side trailing edge b2 are the same.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 has a minimum value aMIN at the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is smaller than the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1. Therefore, the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is larger than the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1.
  • the length X1 of the shroud-side meridian L2 from the shroud-side front edge b1 to the portion where the shroud-side meridian L2 has the maximum value is that the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1 to the hub-side meridian L1 is the maximum value. It is more than twice the length X2 of the hub-side meridian L1 up to the site.
  • the absolute value of the blade angle ⁇ on the hub 41 side of the blade 42 has a minimum value between the hub side front edge a1 and the hub side trailing edge a2 of the blade 42.
  • the absolute value of the blade angle ⁇ on the shroud 50 side of the blade 42 has a minimum value between the shroud side front edge b1 and the shroud side trailing edge b2 of the blade 42.
  • the absolute value of the blade angle ⁇ on the hub 41 side of the blade 42 is always equal to or less than the absolute value of the blade angle ⁇ on the shroud 50 side of the blade 42 between the hub side front edge a1 and the hub side trailing edge a2.
  • the absolute value of the blade angle ⁇ of the shroud side trailing edge b2 is smaller than the absolute value of the blade angle ⁇ of the shroud side front edge b1.
  • the present inventor states that in the wing 42 designed in this way, the absolute value of the wing angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is smaller than the absolute value of the wing angle ⁇ of the hub-side front edge a1. It has been found that when the air flowing along the blade 42 (inter-blade passage 51) has a small flow rate, surging that causes a backflow in the air flowing along the blade 42 is likely to occur. In particular, if the discharge pressure is high when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate, surging is likely to occur. Therefore, in the present embodiment, the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is set to be larger than the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1.
  • the surge line L11 connecting the limit points where surging does not occur in the present embodiment with a line moves in a direction in which the flow rate becomes smaller than the surge line L12 of the comparative example shown by the alternate long and short dash line in FIG. are doing.
  • the surge line L12 when the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is smaller than the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1 is shown as a comparative example. There is.
  • the humidity in the fuel cell stack 11 decreases.
  • the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 is low, the humidity in the fuel cell stack 11 tends to decrease. ..
  • a decrease in humidity in the fuel cell stack 11 causes a decrease in power generation efficiency of the fuel cell stack 11. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency of the fuel cell stack 11, it is required that the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 is high when the air supplied to the fuel cell stack 11 has a small flow rate.
  • the operating region of the fuel cell centrifugal compressor 12 is expanded when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate and the discharge pressure is high. Therefore, the occurrence of surging is suppressed when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate and the discharge pressure is high. Therefore, when the flow rate of the air supplied to the fuel cell stack 11 is small, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 can be increased, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 11 is maintained.
  • the present inventor has an absolute value of the blade angle ⁇ of the hub side trailing edge a2 smaller than the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub side front edge a1. It was found that when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate, surging that causes a backflow in the air flow along the blade 42 is likely to occur. In particular, if the discharge pressure is high when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate, surging is likely to occur. Therefore, in the present embodiment, the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side trailing edge a2 is set to be larger than the absolute value of the blade angle ⁇ of the hub-side front edge a1.
  • the operating range of the fuel cell centrifugal compressor 12 can be expanded when the air flow rate is small and the discharge pressure is high. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of surging when the air flowing along the blade 42 has a small flow rate and the discharge pressure is high.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1 may be, for example, a maximum value aMAX closer to the hub-side trailing edge a2 than the midpoint CT of the hub-side meridian L1.
  • the blade angle ⁇ of the hub-side meridian L1 may have a maximum value aMAX at the midpoint CT of the hub-side meridian L1, for example.
  • the blade angle ⁇ of the shroud-side meridian L2 may have a maximum value bMAX, for example, closer to the shroud-side front edge b1 than the midpoint CT of the shroud-side meridian L2.
  • the blade angle ⁇ of the shroud-side meridian L2 may have a maximum value bMAX at the midpoint CT of the shroud-side meridian L2, for example.
  • the blade angle ⁇ at the hub side trailing edge a2 and the blade angle ⁇ at the shroud side trailing edge b2 do not have to match, and the blade angle ⁇ at the hub side trailing edge a2 is on the shroud side. It may be larger than the blade angle ⁇ at the trailing edge b2. That is, the absolute value of the blade angle ⁇ at the hub-side trailing edge a2 may be smaller than the absolute value of the blade angle ⁇ at the shroud-side trailing edge b2.
  • the absolute value of the blade angle ⁇ on the hub 41 side of the blade 42 is always equal to or less than the absolute value of the blade angle ⁇ on the shroud 50 side of the blade 42 between the hub side front edge a1 and the hub side trailing edge a2. Just do it.
  • the distance Ls in the axial direction of the shaft 14 may be the same.
  • the distance Lh in the axial direction of the rotation shaft 14 from the hub-side trailing edge a2 of the wing 42 to the hub-side front edge a1 is the rotation from the hub-side trailing edge a2 of the wing 42 to the shroud-side front edge b1. It may be shorter than the distance Ls in the axial direction of the shaft 14.
  • the length X1 of the shroud side meridian L2 from the shroud side front edge b1 to the portion where the shroud side meridian L2 has the maximum value is the blade angle from the hub side front edge a1 to the hub side meridian L1. It does not have to be twice or more the length X2 of the hub-side meridian L1 to the site where ⁇ reaches the maximum value.
  • the shroud 50 is a part of the compressor housing 31, but the shroud is not limited to this, and the shroud may be a separate member from the compressor housing 31.
  • the oxidant gas is arbitrary as long as it is a gas containing oxygen.
  • the centrifugal compressor 12 for a fuel cell does not have to be used for the fuel cell system 10 mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle.

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Abstract

燃料電池用遠心圧縮機は、ハブ及び複数の翼を有するインペラと、シュラウドとを備える。翼と子午面とがなす角度のうち小さい角度を翼角度と定義する。翼のハブ側の翼角度の絶対値は、翼のハブ側前縁とハブ側後縁との間で極小値を有する。翼のシュラウド側の翼角度の絶対値は、翼のシュラウド側前縁とシュラウド側後縁との間で極小値を有する。翼のハブ側の翼角度の絶対値は、ハブ側前縁とハブ側後縁との間において常に翼のシュラウド側の翼角度の絶対値以下である。シュラウド側後縁の翼角度の絶対値は、シュラウド側前縁の翼角度の絶対値よりも小さい。ハブ側後縁の翼角度の絶対値は、ハブ側前縁の翼角度の絶対値よりも大きい。

Description

燃料電池用遠心圧縮機
 本開示は、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを圧縮する燃料電池用遠心圧縮機に関する。
 近年、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである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を備える燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている。例えば特許文献1に開示されているように、燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する燃料電池用遠心圧縮機を備えている。
 燃料電池用遠心圧縮機は、空気を圧縮するインペラを備えている。インペラは、回転軸と一体的に回転するハブ、及びハブの周方向に配列された複数の翼を有している。また、燃料電池用遠心圧縮機は、ハブに対向するように配置されるとともにインペラを収容するインペラ室を形成するシュラウドを備えている。
特開2010-144537号公報
 ところで、燃料電池システムにおいては、例えば、燃料電池スタックに空気が過剰に供給されると、燃料電池スタック内の湿度は低下する。かといって、燃料電池スタックに供給される空気が小流量の場合であっても、燃料電池スタックに供給される空気の圧力が低いと、燃料電池スタック内の湿度は低下し易くなる。燃料電池スタック内の湿度の低下は、燃料電池スタックの発電効率の低下を招く。したがって、燃料電池スタックの発電効率を維持するためには、燃料電池スタックに供給される空気が小流量であるときに、燃料電池スタックに供給される空気の圧力が高いことが要求される。
 しかしながら、燃料電池用遠心圧縮機では、翼に沿って流れる空気が小流量であるとき、翼に沿う空気の流れに逆流が生じるサージングが発生するという問題がある。特に、翼に沿って流れる空気が小流量であるときに吐出圧力が高いと、サージングが発生し易い。サージングが発生すると、燃料電池用遠心圧縮機の運転が不安定になってしまう。
 本開示の目的は、翼に沿って流れる酸化剤ガスが小流量であって、且つ吐出圧力が高いときのサージングの発生を抑制することができる燃料電池用遠心圧縮機を提供することにある。
 上記目的を達成する燃料電池用遠心圧縮機は、回転軸と一体的に回転するハブ、及び前記ハブの周方向に配列された複数の翼を有するとともに燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを圧縮するように構成されるインペラと、前記ハブに対向するように配置されるとともに前記インペラを収容するインペラ室を形成するシュラウドと、を備える。前記翼と子午面とがなす角度のうち小さい角度を翼角度と定義する。前記翼の前記ハブ側の翼角度の絶対値は、前記翼のハブ側前縁とハブ側後縁との間で極小値を有する。前記翼の前記シュラウド側の翼角度の絶対値は、前記翼のシュラウド側前縁とシュラウド側後縁との間で極小値を有する。前記翼の前記ハブ側の翼角度の絶対値は、前記ハブ側前縁と前記ハブ側後縁との間において常に前記翼の前記シュラウド側の翼角度の絶対値以下である。前記シュラウド側後縁の翼角度の絶対値は、前記シュラウド側前縁の翼角度の絶対値よりも小さい。前記ハブ側後縁の翼角度の絶対値は、前記ハブ側前縁の翼角度の絶対値よりも大きい。
一実施形態における燃料電池システムの概略構成図。 燃料電池用遠心圧縮機の一部分を示す側断面図。 インペラの子午面形状を示す図。 翼角度と無次元子午線長さとの関係を示すグラフ。 燃料電池用遠心圧縮機の圧力比と流量との関係を示すグラフ。
 以下、燃料電池用遠心圧縮機を具体化した一実施形態を図1~図5にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池用遠心圧縮機は、例えば、燃料電池車などの車両に搭載される燃料電池システムに用いられる。
 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、酸化剤ガスである空気を圧縮する燃料電池用遠心圧縮機12と、を備えている。燃料電池スタック11には、燃料電池用遠心圧縮機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。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。
 燃料電池スタック11は、空気が供給される供給口11aと、空気が排出ガスとして排出される排出口11bと、供給口11aと排出口11bとを接続する接続流路11cと、を有している。接続流路11cでは、供給口11aから供給された空気が排出口11bに向けて流れる。
 燃料電池用遠心圧縮機12は、ハウジング13と、ハウジング13内に収容される回転軸14と、ハウジング13内に収容されるとともに回転軸14を回転させる電動モータ15と、を備えている。電動モータ15は、図示しないバッテリから電力が供給されることにより駆動して回転軸14を回転させる。
 また、燃料電池用遠心圧縮機12は、空気を圧縮するために回転するインペラ16を備えている。インペラ16は、回転軸14の一端部に連結されている。そして、インペラ16は、回転軸14が回転することにより、回転軸14と一体的に回転する。燃料電池用遠心圧縮機12では、インペラ16が回転することにより圧縮動作が行われる。
 ハウジング13は、空気が吸入される吸入口13aと、空気が吐出される吐出口13bと、を有している。また、燃料電池システム10は、圧縮機用流路17を備えている。圧縮機用流路17は、例えば、配管で構成されている。圧縮機用流路17の一端は大気に開放されており、圧縮機用流路17の他端は吸入口13aに接続されている。そして、外部からの空気が圧縮機用流路17を流れて吸入口13aに吸入される。燃料電池用遠心圧縮機12は、吸入口13aから吸入された空気を圧縮する。そして、燃料電池用遠心圧縮機12にて圧縮された空気は吐出口13bから吐出される。
 燃料電池システム10は、燃料電池用遠心圧縮機12と燃料電池スタック11とを接続する供給流路18を備えている。供給流路18は、例えば、配管で構成されている。供給流路18の一端は吐出口13bに接続されるとともに、供給流路18の他端は供給口11aに接続されている。そして、吐出口13bから吐出された空気は、供給流路18を流れて供給口11aに供給される。
 燃料電池システム10は、燃料電池スタック11から排出される排出ガスによって回転するタービンホイール19を有するタービン20を備えている。タービン20は、タービンハウジング22を有している。タービン20は、タービンハウジング22内に形成されるタービン室23を有している。タービン室23は、タービンホイール19を収容する。
 タービンハウジング22は、排出ガスが導入される導入口22aと、タービン室23を通過した排出ガスが排出される排出口22bと、を有している。また、燃料電池システム10は、燃料電池スタック11とタービン20とを接続する排出流路24を備えている。排出流路24は、例えば、配管で構成されている。排出流路24の一端は排出口11bに接続されるとともに、排出流路24の他端は導入口22aに接続されている。そして、排出口11bから排出された排出ガスは、排出流路24を流れて導入口22aに導入される。
 タービン20は、タービン室23と排出流路24とを繋ぐとともに排出流路24を流れる排出ガスをタービン室23に導入する導入流路25を有している。導入流路25は、タービンハウジング22内に形成されるとともに、導入口22aとタービン室23とを連通する。よって、導入流路25は、導入口22aを介して排出流路24に接続されている。タービンホイール19は、燃料電池スタック11から排出されて、排出流路24、導入口22a、及び導入流路25を介してタービン室23に導入される排出ガスにより回転する。
 燃料電池システム10では、タービンホイール19が回転することにより、排出ガスの排気エネルギーが機械的エネルギーとして取り出され、タービンホイール19と接続されている図示しないモータが発電機として機能してモータに回生電力が発生する。そして、モータに発生した回生電力が、図示しないバッテリに蓄電され、例えば、走行用モータの電力源として用いられる。
 タービン20は、導入流路25の流路断面積を調整して燃料電池スタック11に供給される空気の圧力を調整する圧力調整弁26を有している。圧力調整弁26は、例えば、タービンホイール19の外周の位置に周方向に複数配列されるノズルベーンと、複数のノズルベーンを回動させる回動機構部と、を有している。そして、回動機構部によって複数のノズルベーンが回動することにより、導入流路25の流路断面積が調整される。
 燃料電池スタック11は、制御装置30を備えている。制御装置30は、電動モータ15と電気的に接続されている。そして、制御装置30は、電動モータ15の駆動を制御する。また、制御装置30は、圧力調整弁26と電気的に接続されている。制御装置30は、アクセルペダルの操作態様等に基づいて燃料電池スタック11に要求される要求発電量を算出し、その要求発電量に基づいて、圧力調整弁26の目標開度を導出する。制御装置30は、圧力調整弁26の開度が、導出された目標開度となるように圧力調整弁26の開度を制御する。そして、制御装置30により圧力調整弁26の開度が制御されることにより、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が調整される。なお、圧力調整弁26の開度は、複数のノズルベーンの回動角度である。そして、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が調整されることにより、燃料電池スタック11内の湿度が調整される。燃料電池スタック11内の湿度は、燃料電池スタック11の発電を効率良く行うために、予め定められた所望の湿度に調整される。
 図2に示すように、ハウジング13は、吸入口13aを有する有底円筒状のコンプレッサハウジング31と、コンプレッサハウジング31の開口を閉塞する円板状のベアリングハウジング32と、を有している。コンプレッサハウジング31内には、インペラ16を収容するインペラ室33が形成されている。インペラ室33は、吸入口13aに連通している。回転軸14の一端部は、ベアリングハウジング32を貫通してインペラ室33内に突出している。回転軸14は、軸受32aを介してベアリングハウジング32に回転可能に支持されている。吸入口13aは、回転軸14の軸線方向に延びている。
 コンプレッサハウジング31は、インペラ16によって圧縮された空気が吐出される吐出室34と、インペラ室33と吐出室34とを連通するディフューザ流路35と、を有している。ディフューザ流路35は、インペラ室33よりも回転軸14の径方向外側に配置されており、インペラ16(インペラ室33)の周囲で環状に形成されている。吐出室34は、ディフューザ流路35よりも回転軸14の径方向外側に配置された環状である。インペラ16によって圧縮された空気は、ディフューザ流路35を通過することによって、さらに圧縮されて吐出室34に吐出される。そして、吐出室34内の空気は、吐出口13bから供給流路18に吐出されて、供給流路18及び供給口11aを介して燃料電池スタック11に供給される。したがって、インペラ16は、燃料電池スタック11に供給される空気を圧縮する。
 図3に示すように、インペラ16は、回転軸14と一体的に回転するハブ41、及びハブ41の周方向に配列された複数の翼42を有している。ハブ41は、回転軸14の一端部に取り付けられている。ハブ41は、吸入口13a近傍に位置する前端部から後端部に向かうにつれて外径が拡径していく略円錐形状であり、回転軸14の軸線に向けて凹む湾曲面である表面を有している。複数の翼42は、ハブ41の表面に周方向に等間隔置きで配置されている。ハブ41が、前端部から後端部に向かうにつれて外径が拡径していくため、ハブ41の周方向で隣り合う翼42同士の間隔は、ハブ41の前端部から後端部に向かうにつれて徐々に広くなっていく。
 燃料電池用遠心圧縮機12は、インペラ室33を形成するシュラウド50を備えている。本実施形態において、シュラウド50は、コンプレッサハウジング31の一部である。シュラウド50は、ハブ41に対向配置されるとともにハブ41の表面に沿って延びている。シュラウド50は、複数の翼42を取り囲んでいる。そして、ハブ41の周方向で隣り合う一対の翼42、ハブ41、及びシュラウド50によって翼間通路51が区画されている。
 図3は、翼42の子午面形状を示している。翼42は、ハブ41側の子午線であるハブ側子午線L1と、シュラウド50側の子午線であるシュラウド側子午線L2と、を含んで形成されている。なお、翼42の子午面とは、ハブ側子午線L1、シュラウド側子午線L2、及び回転軸14の軸線を通過する縦断面である。そして、ハブ側子午線L1の前端が、翼42のハブ側前縁a1となり、ハブ側子午線L1の後端が、翼42のハブ側後縁a2となる。また、シュラウド側子午線L2の前端が、翼42のシュラウド側前縁b1となり、シュラウド側子午線L2の後端が、翼42のシュラウド側後縁b2となる。ハブ側前縁a1とシュラウド側前縁b1とを結ぶ縁は、翼42の前縁42aである。ハブ側後縁a2とシュラウド側後縁b2とを結ぶ縁は、翼42の後縁42bである。
 翼42のハブ側後縁a2からハブ側前縁a1までの回転軸14の軸線方向での距離Lhは、翼42のハブ側後縁a2からシュラウド側前縁b1までの回転軸14の軸線方向での距離Lsよりも長い。
 翼42は、ハブ側子午線L1によってハブ41側、基端の形状が決定され、シュラウド側子午線L2によってシュラウド50側、即ち先端の形状が決定され、全体として3次元形状を有する。ハブ側子午線L1は、翼42と子午面とがなす角度である翼角度βで数値化される曲線である。また、シュラウド側子午線L2は、翼42と午線面とがなす角度である翼角度βで数値化される曲線である。本実施形態では、翼42と子午面とがなす角度のうち小さい角度を翼角度βと定義する。翼角度βは、ハブ側子午線L1とシュラウド側子午線L2とで異なる値を有する。翼角度βは、ハブ側子午線L1上の位置によって異なる値を有する。翼角度βは、シュラウド側子午線L2上の位置によって異なる値を有する。ハブ側子午線L1上の任意の位置における翼角度βを、ハブ側子午線L1の翼角度β又はハブ側の翼角度βと定義する。シュラウド側子午線L2上の任意の位置における翼角度βを、シュラウド側子午線L2の翼角度β又はシュラウド側の翼角度βと定義する。
 図4では、翼42の翼角度βを縦軸に示し、無次元子午線長さSを横軸に示している。翼角度βは、負の値である。
 ハブ側子午線L1の翼角度βは、翼42のハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間で極大値aMAXを有する。したがって、翼42のハブ41側の翼角度βの絶対値は、翼42のハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間で極小値を有する。ハブ側子午線L1の翼角度βは、ハブ側子午線L1の中間点CTよりもハブ側前縁a1寄りで極大値aMAXを有する。
 シュラウド側子午線L2の翼角度βは、翼42のシュラウド側前縁b1とシュラウド側後縁b2との間で極大値bMAXを有する。したがって、翼42のシュラウド50側の翼角度βの絶対値は、翼42のシュラウド側前縁b1とシュラウド側後縁b2との間で極小値を有する。シュラウド側子午線L2の翼角度βは、シュラウド側子午線L2の中間点CTよりもシュラウド側後縁b2寄りで極大値bMAXを有する。
 ハブ側子午線L1の翼角度βは、ハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間において常にシュラウド側子午線L2の翼角度β以上になっている。したがって、翼42のハブ41側の翼角度βの絶対値は、ハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間において常に翼42のシュラウド50側の翼角度βの絶対値以下である。
 シュラウド側後縁b2の翼角度βは、シュラウド側前縁b1の翼角度βよりも大きい。したがって、シュラウド側後縁b2の翼角度βの絶対値は、シュラウド側前縁b1の翼角度βの絶対値よりも小さい。シュラウド側前縁b1の翼角度βは、シュラウド側子午線L2の翼角度βでの最小値bMINとなっている。
 ハブ側後縁a2での翼角度βとシュラウド側後縁b2での翼角度βとは一致している。ハブ側後縁a2の翼角度βは、ハブ側子午線L1の翼角度βでの最小値aMINを有する。ハブ側後縁a2の翼角度βは、ハブ側前縁a1の翼角度βよりも小さい。したがって、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値は、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも大きい。
 シュラウド側前縁b1からシュラウド側子午線L2の翼角度βが極大値となる部位までのシュラウド側子午線L2の長さX1は、ハブ側前縁a1からハブ側子午線L1の翼角度βが極大値となる部位までのハブ側子午線L1の長さX2の2倍以上である。
 次に、本実施形態の作用について説明する。
 インペラ16の翼42は、翼42のハブ41側の翼角度βの絶対値は、翼42のハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間で極小値を有する。翼42のシュラウド50側の翼角度βの絶対値は、翼42のシュラウド側前縁b1とシュラウド側後縁b2との間で極小値を有する。そして、翼42のハブ41側の翼角度βの絶対値は、ハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間において常に翼42のシュラウド50側の翼角度βの絶対値以下である。シュラウド側後縁b2の翼角度βの絶対値は、シュラウド側前縁b1の翼角度βの絶対値よりも小さい。
 本発明者は、このように設計された翼42において、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも小さくなっていると、翼42(翼間通路51)に沿って流れる空気が小流量であるとき、翼42に沿って流れる空気の流れに逆流が生じるサージングが発生し易いことを見出した。特に、翼42に沿って流れる空気が小流量であるときに吐出圧力が高いと、サージングが発生し易い。そこで、本実施形態では、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも大きく設定されている。
 図5に示すように、本実施形態におけるサージングが発生しない限界点を線で結んだサージラインL11は、図5において二点鎖線で示す比較例のサージラインL12よりも流量が小さくなる方向へ移動している。ここで、図5では、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも小さくなっている場合のサージラインL12を比較例として示している。
 このように、燃料電池用遠心圧縮機12の作動領域が、図5において斜線で示す領域A1分だけ拡大するため、翼42に沿って流れる空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときの燃料電池用遠心圧縮機12の作動領域が拡大する。したがって、翼42に沿って流れる空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときのサージングの発生が抑制される。
 燃料電池システム10においては、例えば、燃料電池スタック11に空気が過剰に供給されると、燃料電池スタック11内の湿度は低下する。かといって、燃料電池スタック11に供給される空気が小流量の場合であっても、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が低いと、燃料電池スタック11内の湿度は低下し易くなる。燃料電池スタック11内の湿度の低下は、燃料電池スタック11の発電効率の低下を招く。したがって、燃料電池スタック11の発電効率を維持するためには、燃料電池スタック11に供給される空気が小流量であるときに、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が高いことが要求される。
 このとき、本実施形態の燃料電池用遠心圧縮機12では、翼42に沿って流れる空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときの燃料電池用遠心圧縮機12の作動領域が拡大しており、翼42に沿って流れる空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときのサージングの発生が抑制される。したがって、燃料電池スタック11に供給される空気が小流量であるときに、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力を高くすることが可能となり、燃料電池スタック11の発電効率が維持される。
 上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
 (1)本発明者は、このように設計された翼42において、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも小さくなっていると、翼42に沿って流れる空気が小流量であるとき、翼42に沿って流れる空気の流れに逆流が生じるサージングが発生し易いことを見出した。特に、翼42に沿って流れる空気が小流量であるときに吐出圧力が高いと、サージングが発生し易い。そこで、本実施形態では、ハブ側後縁a2の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1の翼角度βの絶対値よりも大きく設定されている。これによれば、空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときの燃料電池用遠心圧縮機12の作動領域を拡大することができる。したがって、翼42に沿って流れる空気が小流量であって、且つ吐出圧力が高いときのサージングの発生を抑制することができる。
 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。
 ○ 実施形態において、ハブ側子午線L1の翼角度βは、例えば、ハブ側子午線L1の中間点CTよりもハブ側後縁a2寄りで極大値aMAXとなっていてもよい。
 ○ 実施形態において、ハブ側子午線L1の翼角度βは、例えば、ハブ側子午線L1の中間点CTで極大値aMAXとなっていてもよい。
 ○ 実施形態において、シュラウド側子午線L2の翼角度βは、例えば、シュラウド側子午線L2の中間点CTよりもシュラウド側前縁b1寄りで極大値bMAXとなっていてもよい。
 ○ 実施形態において、シュラウド側子午線L2の翼角度βは、例えば、シュラウド側子午線L2の中間点CTで極大値bMAXとなっていてもよい。
 ○ 実施形態において、ハブ側後縁a2での翼角度βとシュラウド側後縁b2での翼角度βとが一致していなくてもよく、ハブ側後縁a2での翼角度βが、シュラウド側後縁b2での翼角度βよりも大きくてもよい。つまり、ハブ側後縁a2での翼角度βの絶対値が、シュラウド側後縁b2での翼角度βの絶対値よりも小さくてもよい。要は、翼42のハブ41側の翼角度βの絶対値が、ハブ側前縁a1とハブ側後縁a2との間において常に翼42のシュラウド50側の翼角度βの絶対値以下であればよい。
 ○ 実施形態において、翼42のハブ側後縁a2からハブ側前縁a1までの回転軸14の軸線方向での距離Lhと、翼42のハブ側後縁a2からシュラウド側前縁b1までの回転軸14の軸線方向での距離Lsとが同じであってもよい。
 ○ 実施形態において、翼42のハブ側後縁a2からハブ側前縁a1までの回転軸14の軸線方向での距離Lhが、翼42のハブ側後縁a2からシュラウド側前縁b1までの回転軸14の軸線方向での距離Lsよりも短くてもよい。
 ○ 実施形態において、シュラウド側前縁b1からシュラウド側子午線L2の翼角度βが極大値となる部位までのシュラウド側子午線L2の長さX1が、ハブ側前縁a1からハブ側子午線L1の翼角度βが極大値となる部位までのハブ側子午線L1の長さX2の2倍以上でなくてもよい。
 ○ 実施形態において、シュラウド50は、コンプレッサハウジング31の一部であったが、これに限らず、シュラウドがコンプレッサハウジング31とは別部材であってもよい。
 ○ 実施形態において、酸化剤ガスとしては、酸素を含むガスであれば任意である。
 ○ 実施形態において、燃料電池用遠心圧縮機12は、燃料電池車などの車両に搭載される燃料電池システム10に用いられるものではなくてもよい。

Claims (1)

  1.  回転軸と一体的に回転するように構成されたハブ、及び前記ハブの周方向に配列された複数の翼を有するとともに燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを圧縮するように構成されたインペラと、
     前記ハブに対向するように配置されるとともに前記インペラを収容するインペラ室を形成するシュラウドと、を備え、
     前記翼と子午面とがなす角度のうち小さい角度を翼角度と定義すると、
     前記翼の前記ハブ側の翼角度の絶対値は、前記翼のハブ側前縁とハブ側後縁との間で極小値を有し、
     前記翼の前記シュラウド側の翼角度の絶対値は、前記翼のシュラウド側前縁とシュラウド側後縁との間で極小値を有し、
     前記翼の前記ハブ側の翼角度の絶対値は、前記ハブ側前縁と前記ハブ側後縁との間において常に前記翼の前記シュラウド側の翼角度の絶対値以下であり、
     前記シュラウド側後縁の翼角度の絶対値は、前記シュラウド側前縁の翼角度の絶対値よりも小さい燃料電池用遠心圧縮機であって、
     前記ハブ側後縁の翼角度の絶対値は、前記ハブ側前縁の翼角度の絶対値よりも大きい、燃料電池用遠心圧縮機。
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