[发明专利]叶轮、离心压缩机及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶轮、具有叶轮的离心压缩机、以及具有离心压缩机的燃料电池系统，特别是车用燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。由于燃料电池具有传统电池所无法比拟的诸多优点，例如发电效率高、环境污染小、噪音低、燃料范围广等，近年来被广泛应用于诸如汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业。

燃料电池中的电化学反应是一个复杂的过程，其中的氧化剂一般为氧气或空气。研究表明，燃料电池中氧气的压力与燃料电池系统的性能有直接关系，提高空气的供气压力(即氧气的分压力)，可以增大燃料电池系统的能量密度。另外，提高燃料电池的供气压力还可以减小系统尺寸，减少空气中的含水量，维持燃料电池中的水平衡。因此，燃料电池系统中需要专门用于向燃料电池提供高压空气的供气子系统。目前，一般使用叶轮式离心压缩机作为燃料电池系统的供气子系统。

叶轮式离心压缩机通常包括叶轮、叶轮护罩和电动机。叶轮的旋转轴与电动机转轴固定并随其转动，在压缩机系统的运行过程中，随着电机带动叶轮旋转，空气沿轴向进入叶轮，通过叶轮的旋转将能量传递给空气，空气获得静压能和动能，随着叶轮的旋转沿径向离开叶轮并进入下游的扩压器中，空气在扩压器中降速增压，动能转变为静压能，进一步增加了压力。所述加压空气离开压缩机后经加湿器加湿并最终进入燃料电池通道。由于叶轮是不断旋转的，空气能够被不断地加压并推送出去，从而保持了压缩机中气体的连续流动。

对于现有的离心压缩机，体积较大、结构不够紧凑，仍需要在提升满载效率、在流量范围内保持效率稳定以及缩小整机尺寸和减少零件数量等方面进行改进提升。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在的问题，提供一种叶轮、具有所述叶轮的离心压缩机及使用所述离心压缩机的燃料电池系统。

根据本发明的一个实施方式，叶轮包括：轮毂，其形状大致为内凹的截锥形并且具有截锥形弯曲表面，截锥形弯曲表面限定轮毂的旋转轴线，轮毂的细端为空气入口端，粗端为空气出口端；自截锥形弯曲表面伸出的围绕轮毂的旋转轴线间隔布置的多个大叶片和多个小叶片；其中，在叶轮的轴面投影图上，大叶片和小叶片的相对于轮毂旋转轴线的最外侧边缘与轮毂旋转轴线之间形成介于-15度至15度之间的叶轮子午面出口角。

根据本发明的一个实施方式，大叶片的流线截面形状为S形，小叶片的流线截面形状为C形。

根据本发明的一个实施方式，大叶片和小叶片的曲率半径与轮毂的出口端的直径的比值介于0.5至2之间。

根据本发明的一个实施方式，大叶片和小叶片围绕所述轮毂的旋转轴线均匀布置。

根据本发明的一个实施方式，轮毂的底部设置有密封结构，其与离心压缩机中的背板之间形成密封。

根据本发明的一个实施方式，轮毂的密封结构为自轮毂的底部向下延伸出的圆形凸台或环形凸台，在圆形凸台或环形凸台的周向面上设置有沿径向向外突出的多个环形密封齿。

根据本发明的一个实施方式，圆形凸台或环形凸台的直径介于轮毂的出口端直径的50％至95％之间，圆形凸台或环形凸台的轴向厚度介于4至8毫米之间，环形密封齿的数量为3至6个。

根据本发明的一个实施方式，圆形凸台或环形凸台的直径为轮毂的出口端直径的75％，圆形凸台或环形凸台的轴向厚度为5毫米之间，环形密封齿的数量为6个。

根据本发明的一个实施方式，密封齿的形状为锯齿形，其齿尖角介于50至75度之间。

根据本发明的一个实施方式，密封齿的形状为弧形。

根据本发明的一个实施方式，叶轮的加工精度Ra小于1.6微米。

本发明还提供一种离心压缩机，其包括：根据权利要求1-10中任一权利要求所述叶轮；电动机，用于为叶轮的转动提供动力；背板，其固定在电动机壳体上；叶轮转轴，其穿过所述背板并与电动机的电动机转轴固定，叶轮固定在叶轮转轴上以随叶轮转轴转动；叶轮护罩，其固定在背板上并使叶轮位于其与背板之间；其中，叶轮的密封结构与背板之间形成密封，并且叶轮转轴与电动机转轴是一体的。

根据本发明的一个实施方式，背板与电动机的壳体是一体的。

根据本发明的一个实施方式，叶轮与叶轮转轴之间为过盈配合。

根据本发明的一个实施方式，叶轮转轴末端具有螺纹部，螺母旋紧在螺纹部上以将叶轮固定在叶轮转轴上，其中，叶轮的旋转方向与螺母的松脱方向相反。