用于燃料电池系统的空气压缩机以及燃料电池系统的制作方法

本申请涉及一种用于燃料电池的空气压缩机。本申请还涉及一种相应的燃料电池系统。

背景技术：

1、随着新能源车辆的发展，加速了车辆的燃料电池系统的研发以及应用。

2、通常，燃料电池系统具有至少一个燃料电池电堆，通过阳极系统将燃料、例如氢气供应至该燃料电池电堆的阳极侧。通过阴极系统将空气供应至燃料电池电堆的阴极侧。阴极系统包括将空气进行压缩的空气压缩机，其为燃料电池中的电堆在不同工况工作时提供满足电堆流量、压力、温度和湿度要求的空气量。

3、现有技术中已知离心式空气压缩机，其包括多件式壳体，叶轮轴能旋转地支承在该多件式壳体中，压缩机叶轮相对于叶轮轴不可旋转地连接。为了驱动叶轮轴，在壳体中布置有电动机。在空气压缩机运行时，旋转的压缩机叶轮将外界空气压缩并输送到燃料电池电堆。

4、然而，在燃料电池系统例如以低转速(怠速)或者小负荷运行时，电堆阴极侧所需的空气流量较小，空气压缩机的转速因而降低，导致空气压缩机的工作点进入喘振区，因而燃料电池系统发生喘振现象。空气压缩机在高转速但空气流量小的情况下运行时也会发生喘振现象。这种喘振现象由空气在叶轮叶片顶端附近产生的涡流造成并且在严重的情况下影响燃料电池系统的性能，甚至引发安全事故。

5、因而，针对现有技术中的不足之处，仍存在对用于燃料电池系统的空气压缩机的有利解决方案的需求。

技术实现思路

1、在该背景下，根据本申请提出一种用于燃料电池系统的空气压缩机。通过本申请的空气压缩机的至少一个实施方式不仅能够克服现有技术中的不足，而且能够实现特别简单的结构设计以及成本有利的制造。

2、根据本申请的第一方面，提供一种用于燃料电池系统的空气压缩机，所述空气压缩机包括：

3、涡壳，在其中形成有空气通道，所述空气通道包括进气入口和排气出口并且限定空气的流动路径；

4、叶轮，其布置在叶轮轴上并且设置于所述涡壳的空气通道中，所述叶轮围绕叶轮轴的旋转轴线旋转并且构造为适于将空气引入所述空气通道中并经由所述叶轮而被压缩；

5、其中，所述空气通道包括吸气区和增压区，在所述空气通道的内壁中构造有至少一个适于使空气部分地从所述增压区向所述吸气区流动的结构部。

6、本申请的基本构思在于，通过在涡壳的空气通道的内壁中构造结构部，使得在空气压缩机以小空气流量运行时空气能够在吸入过程中部分地从增压区逆着空气路径的方向向着吸气区流动并且将部分压缩的空气重新带入压力降低的区域，从而能够明显减小甚至避免叶轮叶片的顶端处的空气分离，进而改善空气压缩机在以小空气流量运行时的性能，提高运行安全性并降低噪声。

7、本申请的技术方案的有利构型能够从以下可选的实施方式中获得。

8、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，所述结构部在轴向上构造为环形通道，所述环形通道的第一通道口和位于第一通道口下游的第二通道口分别与空气通道流体连通，其中，所述第二通道口在轴向上至少部分地位于所述增压区中。这种实施方式有效地实现空气在环形通道中的流动从而减少喘振现象。此外，这种实施方式简单且成本有利。

9、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，所述结构部构造为凹槽，所述凹槽在轴向上至少部分地位于所述增压区中。作为上一实施方式的变型，这种实施方式同样有效地实现空气在凹槽中的流动并且结构更加简单且成本更加有利。

10、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，所述凹槽构造为周向环槽。通过在空气通道的内壁中在周向上加工出连贯的环槽能够进一步减少喘振现象并降低制造成本。

11、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，在所述空气通道的内壁中周向地和/或轴向地构造有多个结构部。通过优化结构部的数量以及设置位置能够进一步减少喘振现象，提高空气压缩机在以小空气流量运行时的性能。

12、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，所述进气入口包括第一入口部和第二入口部，所述第二入口部布置在所述第一入口部下游，所述结构部构造在所述第二入口部中。作为另一变型方案，这种实施方式能够实现更加简单的加工。

13、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，在所述第一入口部和第二入口部之间形成流动空间，所述结构部构造为贯通孔，所述贯通孔将所述流动空间与所述增压区流体连通。通过简单地加工贯通孔能够进一步降低制造成本。

14、根据一个可选实施方式的空气压缩机设置，所述叶轮包括多个叶片，每个叶片包括前边缘、尖端和在前边缘与尖端之间延伸的弯曲边缘，结构部在轴向上靠近所述前边缘地布置。这种实施方式能够通过结构部在轴向上的位置优化进一步减少喘振现象，进一步提高空气压缩机在以小空气流量运行时的性能。

15、根据本申请的第二方面，提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括根据本申请的空气压缩机。

16、本申请的更多的特征从权利要求、附图和附图的描述中变得显而易见的。在上述说明中提到的特征和特征组合以及在下文的附图描述中提到的和/或只在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以相应指定的组合使用，而且可以在不脱离本申请的范围的情况下以其它组合使用。因此，下述内容也视作被本申请涵盖和公开：这些内容未在附图中明确示出并未被明确解释，而是源自由来自所解释的内容的分离的特征所组成的组合并由这些组合产生。下述内容和特征组合也被视作是被公开的：其不具有原始撰写的独立权利要求的所有特征。此外，下述内容和特征组合被视作尤其被上文内容所公开：其超出或偏离权利要求的引用关系中所限定的特征组合。

技术特征：

1.一种用于燃料电池系统的空气压缩机，其特征在于，空气压缩机(1)包括：

2.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述结构部(1000)在轴向上构造为环形通道，所述环形通道的第一通道口(10000)和位于所述第一通道口(10000)下游的第二通道口(10001)分别与所述空气通道(100)流体连通，其中，所述第二通道口(10001)在轴向上至少部分地位于所述增压区(y)中。

3.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述结构部(1000)构造为凹槽，所述凹槽在轴向上至少部分地位于所述增压区(y)中。

4.根据权利要求3所述的空气压缩机，其特征在于，所述凹槽构造为周向环槽。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的空气压缩机，其特征在于，在所述空气通道(100)的内壁中周向地和/或轴向地构造有多个结构部(1000)。

6.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述进气入口(1001)包括第一入口部(10010)和第二入口部(10011)，所述第二入口部(10011)布置在所述第一入口部(10010)下游，所述结构部(1000)构造在所述第二入口部(10011)中。

7.根据权利要求6所述的空气压缩机，其特征在于，在所述第一入口部(10010)和第二入口部(10011)之间形成流动空间(s)，所述结构部(1000)构造为贯通孔，所述贯通孔将所述流动空间(s)与所述增压区(y)流体连通。

8.根据权利要求1至4、6和7中任一项所述的空气压缩机，其特征在于，所述叶轮(20)包括多个叶片(200)，每个叶片(200)包括前边缘(2000)、尖端(2001)和在前边缘(2000)与尖端(2001)之间延伸的弯曲边缘，结构部(1000)在轴向上靠近所述前边缘(2000)地布置。

9.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至8之一所述的空气压缩机(1)。

技术总结
本申请涉及一种用于燃料电池系统的空气压缩机，其包括涡壳(10)，在其中形成有空气通道(100)，所述空气通道限定空气的流动路径(A)；叶轮(20)，其布置在叶轮轴(30)上并且设置于所述涡壳(1)的空气通道中，叶轮围绕叶轮轴的旋转轴线(R)旋转并且构造为适于将空气引入所述空气通道(100)中并经由所述叶轮(20)而被压缩；其中，所述空气通道(100)包括吸气区(X)和增压区(Y)，在所述空气通道的内壁中构造有至少一个适于使空气部分地从所述增压区向所述吸气区流动的结构部(1000)。本申请还涉及一种燃料电池系统。通过本申请能够有效地减少甚至避免空气压缩机的喘振现象，提高空气压缩机性能。

技术研发人员：贾岩巍
受保护的技术使用者：罗伯特·博世有限公司
技术研发日：20221205
技术公布日：2024/1/11