CN114945752A - 燃料电池系统的用于输送和/或压缩气态介质、尤其氢气的侧通道压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(37)的侧通道压缩机(1)，用于输送和/或压缩气态介质，尤其是氢，所述侧通道压缩机具有：壳体(3)和驱动器(6)，其中，所述壳体(3)具有壳体上部(7)和壳体下部(8)；在所述壳体(3)中围绕转动轴线(4)环绕地延伸的压缩机空间(30)，所述压缩机空间具有环绕的至少一个侧通道(19、21)；位于所述壳体(3)中的压缩机轮(2)，所述压缩机轮以能围绕所述转动轴线(4)转动的方式布置并且由所述驱动器(6)驱动，其中，所述压缩机轮(2)具有在其周边上布置在所述压缩机空间(30)的区域中的叶轮叶片(5)；和各一个构造在所述壳体(3)上的气体进入开口(14)和一个气体排出开口(16)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机空间(30)、尤其是所述至少一个侧通道(19、21)彼此流体连接。根据本发明，在此所述驱动器(6)具有定子(11)和转子(17)，其中，所述转子(17)借助于封装元件(18)至少几乎完全被包围并且因此尤其相对于周围环境被封装。

Description

燃料电池系统的用于输送和/或压缩气态介质、尤其氢气的侧 通道压缩机

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的用于输送和/或压缩气态介质、尤其氢气的侧通道压缩机，其尤其设置为用于应用在燃料电池驱动的车辆中。

背景技术

在车辆领域中，除了液态燃料之外，气态燃料将来也起到越来越大的作用。尤其是在燃料电池驱动的车辆中，需要控制氢气流量。在此，气流不再如在喷射液态燃料时那样不连续地控制，而是将气体从至少一个高压罐中取出并且通过中压管路系统的流入管路引导到喷射器单元上。该喷射器单元通过低压管路系统的连接管路将气体引导到燃料电池。在气体流过燃料电池之后，它经由回流管线返回到喷射器单元。在此，可以在中间连接侧通道压缩机，其在流动技术和效率技术上支持气体回流。此外，侧通道压缩机用于支持燃料电池驱动中的流动建立，尤其是在车辆在一定的停车时间之后的(冷)启动时。这些侧通道压缩机的驱动通常通过电动机来进行，这些电动机在车辆中运行时通过车辆电池来供给电压。

由DE 2017 102 157 39和DE 10 2018 204 713 A1已知一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，在所述侧通道压缩机中输送和/或压缩气态介质、尤其氢气。侧通道压缩机在此具有壳体和驱动器，其中，壳体具有壳体上部和壳体下部。此外，在壳体中布置有围绕转动轴线环绕地延伸的压缩机空间，其具有至少一个环绕的侧通道。压缩机轮位于壳体中，该压缩机轮布置成围绕转动轴线可转动并且由驱动器驱动，其中，压缩机轮具有在其周边上布置在压缩机空间的区域中的多个叶轮叶片。此外，由DE 2017 102 157 39和DE 102018 204 713 A1已知的侧通道压缩机分别具有构造在壳体上的气体进入开口和气体排出开口，所述气体进入开口和气体排出开口经由压缩机空间、尤其至少一个侧通道彼此流体连接。

由DE 2017 102 157 39和DE 10 2018 204 713 A1已知的侧通道压缩机可以具有一定的缺点。

在此，驱动器由这样的部件构成，当所述部件与阳极介质、尤其是氢气接触时，所述部件由于其材料特性可能被阳极介质损坏。从周围环境侵入到驱动器中的其它物质、例如水或污物也可能损坏驱动器的构件。在此，可能发生氧化反应、氢脆或其他材料损坏。这可能由于驱动器以及侧通道压缩机的构件在驱动器的外围至少部分地处于运动中、尤其处于旋转运动中的事实而导致这些构件的损坏。这于是又可能导致驱动器的失效和/或导致整个侧通道压缩机的失效。

此外，由DE 2017 102 157 39和DE 10 2018 204 713 A1已知的侧通道压缩机具有如下缺点：在冷启动过程中驱动器或侧通道压缩机的特定的部分不足够快速地加热，由此存在由于冰桥引起的损坏的危险，所述冰桥会减少侧通道压缩机和/或燃料电池系统的使用寿命。

发明内容

根据本发明，提供了一种具有独立权利要求的特征的用于燃料电池系统的、用于输送和/或压缩气态介质、尤其氢气的侧通道压缩机。

参照权利要求1，提出了一种侧通道压缩机，其中，驱动器具有定子和转子，其中，转子借助于封装元件至少几乎完全地被包围并且因此尤其相对于周围环境被封装。以这种方式可以实现的优点是，保护转子以防与阳极介质、尤其是氢气或者来自周围环境的其他物质、例如水或者污物接触。因此，封装元件有效地屏蔽转子以防与周围介质接触，由此能够增加驱动器的寿命并因此增加侧通道压缩机的寿命，并因此降低由于驱动器的故障部件而可能导致的失效概率。此外，借助于至少几乎完全包围转子的封装元件对驱动器和/或转子的封装可以以紧凑的结构方式实现，从而不必或仅须对驱动器和/或侧通道压缩机进行最小的结构改变。以这种方式，本发明的根据本发明的有利的构型能够以成本有利的方式实现。

从属权利要求涉及本发明的优选改进方案。

根据一种有利的构型，驱动器实施为径向的内转子电动机，其中，驱动器、尤其是转子通过驱动轴与压缩机轮连接，其中，驱动轴、压缩机轮和转子以能围绕转动轴线转动的方式支承，其中，转子和压缩机轮分别形状锁合、材料锁合或力锁合地与驱动轴连接。以这种方式，能够成本有利地装配封装元件，而不需要对驱动器和/或侧通道压缩机进行另外的或至少仅略微的结构改变。这减少了装配成本，并且因此减少了侧通道压缩机的制造成本，同时可降低侧通道压缩机的失效概率。

根据一种特别有利的构型，转子具有至少一个永磁体，和/或封装元件实施为不锈钢盖，其至少具有不锈钢。以这种方式能够实现如下优点：能够降低转子和/或整个驱动器的失效概率。这可以这样实现：将装配复合体的尤其是相对于氢敏感的构件、例如永磁体的软磁材料转移到内置的区域中，而装配复合体的尤其是相对于氢不敏感的构件、例如不锈钢转移到外置的包围区域中。这提供了如下优点：驱动器的寿命和因此整个侧通道压缩机的寿命可以被提高。

根据侧通道压缩机的一种有利的构型，转子安装到驱动轴上，使得转子在背离压缩机轮的一侧上与该驱动轴齐平地闭合，其中，不锈钢盖在其面对压缩机轮的一侧上在驱动轴的区域中具有开口，其中，除了开口的区域之外，不锈钢盖完全地包围安装到驱动轴上的转子。

以这种方式能够实现如下优点：能够保持或引起驱动器和/或侧通道压缩机的紧凑的结构方式。

根据一种特别有利的改进方案，驱动轴和不锈钢盖在开口的区域中力锁合、形状锁合或者材料锁合地彼此连接，使得转子、尤其是永磁体相对于外置的区域被封装。以这种方式能够实现如下优点：能够借助于不锈钢盖实现对转子的敏感的构件和/或材料的有效封装，其中，不锈钢盖的唯一的区域(氢气或其他物质穿过该区域进入转子的内置的区域中并且可能损坏软磁材料)，尤其是开口的区域。这种优点通过在不锈钢盖和驱动轴之间的持续封装的连接部来实现，由此可降低驱动器和/或侧通道压缩机的失效概率。

根据侧通道压缩机的一种有利的构造，驱动器实施为轴向场电动机，其具有定子和转子，其中，定子和转子盘形地围绕转动轴线环绕地构造，其中，定子在转动轴线的方向上布置在转子旁边。以这种方式，侧通道压缩机的紧凑的且节省空间的结构方式能够通过与体积相比尽可能小的表面积实现。这提供了如下优点：在客户处，例如在车辆中仅需要小的安装空间。此外，侧通道压缩机的紧凑的结构方式、尤其是具有与体积相比尽可能小的表面积的结构方式提供如下优点：侧通道压缩机的冷却在低的环境温度下、尤其是在低于0℃的范围中更缓慢地进行进而能够更长时间地延迟冰桥形成的出现。

根据一种有利的改进方案，转子至少具有永磁体、转子毂和固定盘，其中，封装元件至少几乎完全包围转子毂和/或永磁体并且由此相对于外置的区域封装。以这种方式可以实现驱动器的紧凑的结构形式，尤其是在作为轴向场电动机的实施方式中。在此，转子的至少几乎所有的构件能够布置并且集成在压缩机轮的内直径的区域中，包括压缩机轮的支承部在内。此外，借助于侧通道压缩机的根据本发明的实施方案，能够可靠地封装转子、尤其转子毂和/或永磁体。

根据侧通道压缩机的一种有利的构型，封装元件具有至少两层的结构，其中，第一层由可弹性变形的材料、尤其弹性体实施，并且第二层由不锈钢实施。以这种方式，一方面可以实现转子毂和永磁体的改进的封装，因为可弹性变形的材料由于其材料特性可以流入每个区域中和/或由于其弹性可以更好地安装到转子毂和永磁体上。然而，与弹性体相比，由不锈钢构成的第二层可以给予封装元件更好的结构强度。因此，可以提高驱动器和/或侧通道压缩机的可靠性。

根据一个特别有利的构造，封装元件由至少一个弹性体密封元件组成，其具有压装的不锈钢盖。以这种方式可以获得如下优点：具有至少两个层的封装元件(其尤其具有至少两种不同特性的材料)可以在其安装在驱动器和/或转子和/或压缩机轮上之前被预装配。以这种方式可以降低装配成本和所需的装配时间以及装配误差。这提供了侧通道压缩机的总成本较低的优点，并且由于降低了装配错误出现的可能性，使得驱动器和/或侧通道压缩机的失效概率更低。

根据一种有利的方法，尤其是用于启动或关闭和/或运行侧通道压缩机，对定子的通电引起转子和/或封装元件的感应加热，其中，尤其是至少具有不锈钢的封装元件由于材料特性可被特别好地感应加热。不锈钢材料具有高导电能力，由此它可以被更好地感应加热。在此，由于不锈钢层是导电体，所以加热作为基于借助磁场、更特别地借助涡流损耗实现的电加载的效应出现。在此，转子在对定子的线圈的短时通电时被感应地加热，尤其是由于产生的损耗功率，其作为热能被释放。以这种方式能够实现如下优点：通过对定子的通电在不存在转动磁场的情况下调设对转子的加热，其中，为此尤其使用感应的效应。在此，尤其由能导热的材料制成的转子能够被加热，这尤其在侧通道压缩机和/或车辆的冷启动过程中是有利的。在此，转子变热并且例如由于所使用的材料的高的导热能力将热能传递到压缩机轮上。在此，沿流动方向将热能传递到压缩机轮与壳体之间的区域中，在该区域中已经形成了冰桥。在发动和/或启动侧通道压缩机时，这些冰桥可能导致侧通道压缩机的损坏和/或可能由于阻塞而阻止压缩机轮在壳体中旋转。此外，在压缩机轮发动时会引起打碎，其中释放出尖锐的冰块，这些冰块可能损坏沿输送方向在侧通道压缩机和/或燃料电池后方的构件，尤其是燃料电池的膜片。在此，通过加热转子来加热压缩机轮并且尤其加热内部的限界环和外置的环缘的区域，所述限界环和外置的环缘分别与壳体构成小的间距、尤其小的间隙尺寸。由此，冰桥融化并且液体从固态变为液态并且可以例如借助于在燃料电池系统中存在的吹扫阀和/或排放阀被排出。以这种方式，可以提高侧通道压缩机和/或燃料电池系统的寿命。

本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。相反，在通过权利要求说明的范围内可实现处于本领域技术人员处理的范围内的多个变型。

附图说明

下面借助于附图对本发明进行详细描述。

附图示出：

图1根据本发明的侧通道压缩机的示意性剖面，

图2以透视图示出根据第一实施例的侧通道压缩机的根据本发明的一部分，

图3以透视图示出根据第二实施例的侧通道压缩机的根据本发明的一部分。

具体实施方式

由根据图1的视图可见根据本发明提出的侧通道压缩机1的纵剖面，该侧通道压缩机关于转动轴线4旋转对称地构造。

侧通道压缩机1在此具有压缩机轮2，所述压缩机轮尤其构造为封闭的盘状的压缩机轮2并且以能围绕水平延伸的转动轴线4转动的方式支承在壳体3中。在此，驱动器6、尤其电驱动器6用作压缩机轮2的转动驱动器6。在此，驱动器6能够根据第一实施例实施为径向的内转子电动机6或者根据第二实施例实施为轴向场电动机6。此外，驱动器6能够具有多个冷却肋片33。壳体3包括壳体上部7和壳体下部8，它们彼此连接。在两个壳体部分7、8之间可以存在围绕转动轴线4环绕的密封元件，该密封元件实现密封侧通道压缩机1的压缩机空间30的封装，尤其是抵抗外部的污染或湿气。根据第一实施例，压缩机轮2抗扭转地布置在驱动轴9上并且由壳体上部7和壳体下部8包围。根据第二实施例，压缩机轮2尤其能够间接地经由转子毂29(在图3中示出)和至少一个轴承27支承在轴承栓上，所述轴承栓例如位于壳体上部8中。

在第一实施例中，压缩机轮2具有内部的压缩机轮毂10，其中，压缩机轮毂10具有留空，驱动轴9穿过该留空插入，其中，压缩机轮毂10尤其借助于压接合部与驱动轴9连接。此外，压缩机轮毂10在背离转动轴线4的一侧上环绕地由毂根部12限界。此外，在该实施例中，至少一个围绕转动轴线4环绕的密封件23布置在驱动轴9的外直径上，尤其是轴向于转动轴线4布置在毂根部12与驱动器6之间并且径向于转动轴线4布置在驱动轴9与壳体上部7之间。

压缩机轮2从毂根部12向外远离转动轴线4地构成环绕的圆形毂盘13。此外，压缩机轮2构成在外侧衔接到毂盘13上的至少一个输送室28。压缩机轮2的该至少一个输送室28围绕转动轴线4在壳体3的环绕的压缩机空间30中环绕地延伸。此外，在图1中在输送室28的区域中可见叶轮叶片5的剖切轮廓。该叶轮叶片5可以具有V形的轮廓。此外，各个输送室28在压缩机轮2的转动方向上由两个叶轮叶片5限界，其中，多个叶轮叶片5围绕转动轴线4环绕地在压缩机轮2上径向于转动轴线4布置。

此外，壳体3、尤其是壳体上部7和/或壳体下部8在压缩机空间30的区域中具有至少一个环绕的侧通道19、21。在此，所述至少一个侧通道19、21在壳体3中在转动轴线4的方向上延伸，使得所述侧通道轴向于输送室28在一侧或两侧延伸。在此，至少一个侧通道19、21可以至少在壳体3的部分区域中围绕转动轴线4环绕地延伸，其中，在壳体3中，在壳体3中的没有构造至少一个侧通道19、21的部分区域中构成中断区域15。

在第一实施例中，驱动轴9借助于至少一个轴承27(其可为滚动轴承27、尤其为球轴承27)支承在壳体3中。驱动器6能够与侧通道压缩机1的壳体3连接、尤其与壳体上部7连接，其方式是，使驱动器6以至少一个端面轴向于转动轴线4贴靠在壳体3的端面上。

此外，壳体3、尤其壳体下部8构成气体进入开口14和气体排出开口16。在此，气体进入开口14和气体排出开口16尤其通过至少一个侧通道19、21彼此流体连接。在此，随着从气体进入开口14到气体排出开口16在压缩机轮2的转动方向上的逐步流转，气态介质在输送室28中、尤其在压缩机轮2的输送室28中和在侧通道19中的压缩和/或压力和/或流动速度提高。在此，气态介质在完成通过侧通道压缩机1的气体排出开口16之后被导出并且沿流出方向、尤其是朝燃料电池系统37的喷射泵41的方向流出。通过中断区域15实现压力侧和抽吸侧的分离，其中，抽吸侧位于气体进入开口14的区域中，并且压力侧位于气体排出开口16的区域中。

扭矩从驱动器6传递到压缩机轮2上。在此，压缩机轮2被置于旋转运动中并且输送室28在旋转运动中围绕转动轴线4环绕地运动穿过壳体3中的压缩机空间30沿第一转动方向的方向运动。在此，已经处于压缩机空间30中的气态介质被输送室28携带运动并且在此被输送和/或压缩。此外，在输送室28与至少一个侧通道19、21之间发生气态介质的运动、尤其流动交换。此外，侧通道压缩机1经由气体进入开口14和气体排出开口16与燃料电池系统37连接，其中，气态介质(其尤其是来自燃料电池的未消耗的再循环介质)经由气体进入开口14进入侧通道压缩机1的压缩机空间30中和/或供应给侧通道压缩机1和/或从位于气体进入开口14上游的区域中被抽出。在此，气态介质在完成穿过侧通道压缩机1的气体排出开口16之后被导出。

图2以透视图示出了根据第一实施例的侧通道压缩机1的根据本发明的一部分，其中，驱动器6作为电动机。在此示出，驱动器6实施为径向的内转子电动机6并且具有定子11和转子17。在此，转子17借助封装元件18至少几乎完全被包围并且因此尤其相对于周围环境被封装。驱动器6、尤其是转子17在此通过驱动轴9与压缩机轮2连接，其中，驱动轴9、压缩机轮2和转子17以能围绕转动轴线4转动的方式支承，其中，转子17和压缩机轮2分别形状锁合、材料锁合或力锁合地与驱动轴9连接。在此，驱动轴9例如可以借助两个轴承27来支承，所述两个轴承分别位于压缩机轮2的两侧。

此外示出，转子17具有至少一个永磁体25，和/或封装元件18实施为不锈钢盖18，其至少具有不锈钢。在这种情况下，转子17被安装在驱动轴9上，使得所述转子在背离压缩机轮2的一侧与该驱动轴齐平地闭合，其中，不锈钢盖18在其面向压缩机轮2的一侧上在驱动轴9的区域中具有开口22。此外，除了开口22的区域外，不锈钢盖18在此完全包围安装到驱动轴9上的转子17。此外，驱动轴9和不锈钢盖18在开口22的区域中力锁合、形状锁合或者材料锁合地彼此连接，使得转子17、尤其是永磁体25相对于外置的区域被封装。

图3以立体图示出根据第二实施例的侧通道压缩机1的根据本发明的一部分。在此，驱动器6实施为轴向场电动机6，其具有定子11和转子17，其中，定子11和转子17盘形地围绕转动轴线4环绕地构造，其中，定子11在转动轴线4的方向上布置在转子17旁边。此外，转子17至少具有永磁体25、转子毂29和固定盘31，其中，封装元件18至少几乎完全包围转子毂29和/或永磁体25并且因此相对于外置的区域封装。

在此，封装元件18具有至少两层的结构，其中，第一层由可弹性变形的材料、尤其弹性体实施，而第二层由不锈钢实施。在一个示例性实施方式中，封装元件18可以由至少一个弹性体密封元件组成，其具有压装的不锈钢盖，由此能够实现简化的装配。

在第二实施例中，(在图1中示出的)密封件23可以是多余的，因为在此在壳体3中构造有在定子11的空间与转子17的空间之间的、尤其是中间壁形式的流体分离部。此外，在此也不需要驱动轴9用于将扭矩从驱动器6传递到压缩机轮2上，因为在该实施例中，转子17作为盘形元件直接位于压缩机轮2中。

对于侧通道压缩机1的第一和第二实施例中的每一个，通过对定子11通电，可以引起转子17和/或封装元件18的感应加热，其中，尤其是，至少具有不锈钢的封装元件18由于材料特性、尤其是由于高感应电阻而允许快速加热。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统(37)的侧通道压缩机(1)，用于输送和/或压缩气态介质，尤其是氢，所述侧通道压缩机具有：

壳体(3)和驱动器(6)，其中，所述壳体(3)具有壳体上部(7)和壳体下部(8)；

在所述壳体(3)中围绕转动轴线(4)环绕地延伸的压缩机空间(30)，所述压缩机空间具有环绕的至少一个侧通道(19、21)；

位于所述壳体(3)中的压缩机轮(2)，所述压缩机轮以能围绕所述转动轴线(4)转动的方式布置并且由所述驱动器(6)驱动，其中，所述压缩机轮(2)具有在其周边上布置在所述压缩机空间(30)的区域中的叶轮叶片(5)；和

各一个构造在所述壳体(3)上的气体进入开口(14)和一个气体排出开口(16)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机空间(30)、尤其是所述至少一个侧通道(19、21)彼此流体连接，

其特征在于，

所述驱动器(6)具有定子(11)和转子(17)，其中，所述转子(17)借助于封装元件(18)至少几乎完全被包围并且因此尤其相对于周围环境被封装。

2.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述驱动器(6)实施为径向的内转子电动机(6)，其中，所述驱动器(6)、尤其所述转子(17)经由驱动轴(9)与所述压缩机轮(2)连接，其中，所述驱动轴(9)、所述压缩机轮(2)和所述转子(17)以能围绕所述转动轴线(4)转动的方式支承，其中，所述转子(17)和所述压缩机轮(2)分别形状锁合、材料锁合或力锁合地与所述驱动轴(9)连接。

3.根据权利要求2所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述转子(17)具有至少一个永磁体(25)，和/或所述封装元件(18)实施为不锈钢盖(178)，所述不锈钢盖至少具有不锈钢。

4.根据权利要求3所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述转子(17)安装到所述驱动轴(9)上，使得所述转子在背离所述压缩机轮(2)的一侧上与所述驱动轴齐平地闭合，其中，所述不锈钢盖(18)在其面向所述压缩机轮(2)的一侧上在所述驱动轴(9)的区域中具有开口(22)，其中，除了所述开口(22)的区域之外，所述不锈钢盖(18)完全包围安装到所述驱动轴(9)上的所述转子(17)。

5.根据权利要求3或4所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述驱动轴(9)和所述不锈钢盖(18)在所述开口(22)的区域中力锁合、形状锁合或材料锁合地彼此连接，使得所述转子(17)、尤其所述永磁体(25)相对于外置的区域被封装。

6.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述驱动器(6)实施为轴向场电动机(6)，所述轴向场电动机具有定子(11)和转子(17)，其中，所述定子(11)和所述转子(17)盘形地围绕所述转动轴线(4)环绕地构造，其中，所述定子(11)在所述转动轴线(4)的方向上布置在所述转子(17)旁边。

7.根据权利要求6所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述转子(17)具有至少一个永磁体(25)、转子毂(29)和固定盘(31)，其中，所述封装元件(18)至少几乎完全包围所述转子毂(29)和/或所述至少一个永磁体(25)并且因此相对于外置的区域封装。

8.根据权利要求7所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述封装元件(18)具有至少两层的结构，其中，第一层由能弹性变形的材料、尤其弹性体实施，并且第二层由不锈钢实施。

9.根据权利要求8所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述封装元件(18)由至少一个弹性体密封元件组成，所述至少一个弹性体密封元件具有压装的不锈钢盖。

10.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对定子(11)的通电引起转子(17)和/或封装元件(18)的感应加热，其中，尤其是，至少具有不锈钢的封装元件(18)基于材料特性、尤其是基于高的感应电阻有助于快速加热。

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