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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lufttransport in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Vorrichtung.
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DE 199 53 690 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem Druckenergie eines Abgases durch Expansion des Abgases in einem Regenerator, nachdem Sauerstoff in einer Brennstoffzelle verbraucht wurde, zurückgewonnen werden kann, wobei die zurückgewonnene Energie dazu benutzt wird, die einen Kompressor antreibende Kraft zu erhöhen. Die
EP1 770 811 A2 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung zum Erzeugen von Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff und insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, die geeignet an einem Fahrzeug montiert werden kann. Die
EP 1 074 699 A2 offenbart ein turbinengetriebenes Generatorsystem zum Entwickeln einer elektrischen Leistung unter Verwendung von Verbrennungsgasen, die in einer Brennkammer erzeugt werden. Die
DE 102 54 859 A1 offenbart einen Turbolader, insbesondere Sekundärluftlader für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die
EP 1 783 343 A2 offenbart Turbolader für Verbrennungsmotoren und insbesondere Spezialmaterialien zur Unterstützung der Bersteindämmung. Die
US 4 969 536 A offenbart Ladeluftsysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Vorrichtung zum Dämpfen von Geräuschen, die in Ladeluftsystemen erzeugt werden.
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In mobilen Brennstoffzellensystemen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können, wird zur Oxidationsmittelzuführung an die Brennstoffzelle ein Verdichter eingesetzt, welcher über eine Welle mit einem Motor, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben wird. Das der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführte Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, unterliegt in der Brennstoffzelle einer chemischen Reaktion und das dabei erzeugte Abgas wird aus der Kathode über eine Abgasleitung abgeleitet. In dieser Abgasleitung kann ein Expander, vorzugsweise eine Turbine mit einem variablen Leitgitter, eingesetzt werden, welche insbesondere auch mit der Welle verbunden sein kann und damit über den Motor, welcher auch zum Antrieb des Verdichters vorgesehen ist, angetrieben wird. Im Betrieb erzeugen der Verdichter und der Expander eine unerwünschte Geräuschentwicklung. Gerade dann, wenn der Verdichter und der Expander einem im Betrieb relativ lautlosen Antriebssystem, insbesondere Brennstoffzellen, zugeordnet sind, wird diese Geräuschentwicklung auch im Inneren des Fahrzeugs wahrgenommen und kann auch unerwünscht laut auftreten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem eine Geräuschreduktion im Betrieb erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Brennstoffzellensystem welches, die Merkmale nach Anspruch 8 aufweist, gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lufttransport in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs umfasst ein Aggregat, welches einen Verdichter, einen Expander, eine mit dem Verdichter und dem Expander verbundene Welle und einen Motor zum Antreiben der Welle und somit auch des Verdichters und des Expanders aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, welches das Aggregat zumindest bereichsweise umgibt. Durch dieses zusätzliche Gehäuse kann eine wesentliche Geräuschreduktion im Betrieb des Aggregats erreicht werden. Dabei sind die Einlassrohre und Auslassrohre des Verdichters und des Expanders jeweils von einer schallabsorbierenden Manschette umgeben. Somit werden auch unmittelbar in oder aus den Komponenten Verdichter und Expander herausführende Zuleitungen und Ableitungen vor einer unerwünschten Schallemission nach außen hin abgeschirmt.
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Vorzugsweise ist das Aggregat vollständig in dem Gehäuse angeordnet und das Gehäuse umgibt das Aggregat vollständig. Durch diese gekapselte Ausgestaltung kann die Geräuschreduktion nochmals verbessert werden.
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Das Gehäuse ist insbesondere aus einem schallabsorbierenden Material ausgebildet. Durch diese spezifische Materialwahl des Gehäuses kann ein sehr hoher Entkopplungsgrad im Hinblick auf die Übertragung von Körperschall auf die Umgebung außerhalb des Gehäuses sowie eine sehr hohe Schalldämmung im Hinblick auf die Übertragung von Luftschall erreicht werden.
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Insbesondere ist das Gehäuse zumindest bereichsweise aus einem wärmebeständigen Metall und/oder einem mineralischen Material ausgebildet.
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Insbesondere umfasst das Gehäuse als Material eine thermische und akustische Isolierung. Diese ist vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Material, welches darüber hinaus insbesondere auch als poröses Material ausgebildet sein kann. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse als Material zumindest bereichsweise faserige Hochtemperaturstoffe. Diese können insbesondere biolösliche Fasern, Silikatfasern, SiO2-Fasern, AI203-Fasern, AI-Kalzium-Silikat-Fasern und/oder Mg-Kalzium-Silikat-Fasern sein. Neben einer hervorragenden Geräuschreduzierung kann dadurch auch ein Einsatz in relativ temperaturbelasteten Umgebungen, wie es beispielsweise im Motorrauen eines Fahrzeugs der Fall ist, ermöglicht werden.
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Durch die Porosität des Materials kann gezielt auf die gegebenen spezifischen akustischen Eigenschaften eingegangen und diese optimiert werden. Als wärmebeständiges Metall kann beispielsweise legierter Stahl vorgesehen sein. Insbesondere kann das Material auch aus einem gesinterten Metallgewebe ausgebildet sein oder ein derartiges umfassen.
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Um die thermomechanische Stabilität eines Gehäuses, welches auch Fasermaterial umfasst, ausreichend gewähren zu können, kann darüber hinaus eine weitere Schicht oder Lage aus einer vorzugsweise hochtemperaturfesten, metallischen, porösen oder mineralischen Filamentbahn ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist somit das Gehäuse beziehungsweise die Gehäusewand aus einem mehrschichtigen Verbund erzeugt, welcher eine Fasermateriallage aufweist, welche insbesondere vorzugsweise als Innenlage ausgebildet ist. Die Dichte dieses Schichtbereichs liegt bei einer Ausgestaltung als Silikat-Faser bei etwa 30 bis 150 kg/m3. Die Dicke beträgt vorzugsweise einige Millimeter bis einige zehn Millimeter. Zumindest an einer Seite der Innenlage kann eine weitere Lage aufgebracht sein, die aus einem hochwarmfesten, metallischen oder mineralischen Mikrodraht- oder Filamentgewebe ausgebildet ist. Diese kann auf die Innenlage aufgesteppt werden. Ebenso kann jedoch auch diese auf die Innenlage aufgebrachte weitere Lage als Edelstahlfolie ausgebildet sein. An einer der Seiten der Innenlage kann des Weiteren vorzugsweise eine Materiallage aus einem schallabsorbierenden, warmfesten und porösen Material angeordnet sein. Diese weitere Lage kann vorzugsweise aus Metall sein, wobei auch Keramikmaterial oder Keramikfasern vorgesehen sein können. Ebenso kann jedoch auch ein Metallblech aus einem gesinterten Metallgewebe vorgesehen sein. Vorzugsweise kann diese weitere Materiallage aus einem Sinterblech aus Chromstahl/Stahlblech oder Aluminiumblech ausgebildet sein und eine Porosität von etwa 25 Prozent aufweisen. Diese Porosität kann jedoch auch abhängig von der zu erwartenden Schallbelastung zwischen etwa 10 Prozent und 60 Prozent liegen. In einer weiteren möglichen Ausführung weist das Chromstahl/Stahlblech oder Aluminiumblech eine Mikroperforation auf.
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Vorzugsweise auf der dieser porösen Materiallage gegenüberliegenden Seite der Innenlage ist eine weitere Materiallage ausgebildet, welche aus einem nichtporösen Material, insbesondere aus Edelstahlblech/Stahlblech/Aluminiumblech oder alternativ aus einem Kunststoff, ausgebildet ist. Die genannte Schichtenzahl und Schichtenanordnung ist lediglich beispielhaft und sowohl die Anzahl der Schichten als auch die Anordnung der Schichten beziehungsweise Lagen zueinander kann in vielfältiger Weise variiert werden.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise zumindest zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Teile insbesondere relativ zueinander bewegbar sind. Dadurch kann das reversible Öffnen und Schließen ermöglicht werden, wodurch das Einsetzen und Herausnehmen des Aggregats oder Teilkomponenten davon einfach und aufwandsarm gewährleistet werden kann.
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Vorzugsweise sind die Manschetten als separate Teile zu dem Gehäuse ausgebildet. Vorzugsweise weisen diese Manschetten eine Materialzusammensetzung auf, welche unterschiedlich zur Materialausgestaltung des Gehäuses ist.
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Zur Abdichtung und Entkopplung weisen vorzugsweise Öffnungen und Durchbrüche ebenso eine Manschette, auch Durchführungsmanschette genannt, auf. Die Manschetten können auch aus dem gleichen Werkstoff wie das Gehäuse hergestellt werden und eine Einheit mit der Außenhülle bilden.
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Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle umfasst einen Gasleitzweig zum Zuführen von Oxidationsmittel zur Brennstoffzelle und zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle, sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon, bei der das Aggregat dem Gasleitzweig zugeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Das Oxidationsmittel ist insbesondere Sauerstoff oder Luft. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet. Eine Brennstoffzelle ist insbesondere als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet, wobei dann der Brennstoff Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch nicht nur in einem als Brennstoffzellensystem ausgebildeten Antriebssystem eines Fahrzeugs eingesetzt werden, sondern auch bei herkömmlichen Antriebssystemen mit Brennkraftmaschinen Verwendung finden. Insbesondere dann, wenn dort Abgasturbolader mit einem entsprechenden Aggregat aus Verdichter, Expander, Welle und Motor verwendet wird, kann ebenfalls eine derartige Geräuschreduktion dieses Aggregats mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon erreicht werden.
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Da jedoch ein Brennstoffzellensystem mit seinen Brennstoffzellen im Betrieb ohnehin sehr leise ist und im allgemeinen keinen nennenswerten Geräuschpegel verursacht, tritt bei einem derartigen System das Geräusch des Aggregats, insbesondere das Geräusch des Verdichters und des Expanders, dominierend in den Vordergrund. Gerade daher ist es bei Brennstoffzellensystemen mit einem derartigen Aggregat besonders wünschenswert, diese Geräuschreduktion erreichen zu können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführung einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung, die jedoch nützlich ist zum Verständnis der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 eine weitere perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäß 2.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer perspektivischen Darstellung eine Vorrichtung 1 zum Lufttransport in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist einem Brennstoffzellensystem als Antriebssystem mit zumindest einer Brennstoffzelle zugeordnet und in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Gaszweig, welcher zur Zuführung von Oxidationsmittel zur Brennstoffzelle, insbesondere zu dessen Kathodenseite, ausgebildet ist. Der Gaszweig ist darüber hinaus zur Abfuhr von Abgas von dem Kathodenraum der Brennstoffzelle ausgebildet. Die Vorrichtung 1 ist diesem Gaszweig zugeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Aggregat, welches einen Verdichter 3, ein Welle 4, einen Elektromotor 5 und einen Expander 6 aufweist. Der Expander 6 ist im Ausführungsbeispiel als Turbine mit einem variablen Leitgitter konzipiert. Der Verdichter 3 und der Expander 6 sind auf der gemeinsamen Welle 4 angeordnet und werden über den Elektromotor 5 angetrieben. In der Darstellung in 1 zeigen die Bezugszeichen 3 bis 6 und die symbolischen Pfeile in das Innere des Gehäuses 2, wodurch angedeutet ist, dass diese Komponenten des Aggregats in dem Gehäuse 2 angeordnet sind.
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Das Gehäuse 2 umgibt somit im Wesentlichen vollständig die genannten Komponenten des Aggregats.
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Unter einer vollständigen Umgebung dieses Aggregats durch das Gehäuse 2 wird auch eine Ausgestaltung gemäß 1 verstanden, bei der durchgängige Löcher 14 und 15 ausgebildet sind, durch welche sich Anschlüsse und dergleichen aus dem Gehäuse 2 herausstrecken. Diese Löcher 14 und 15 sind jedoch so dimensioniert, dass sie unwesentlich größer sind als die sich dadurch aus dem Gehäuse 2 heraus- oder sich in das Gehäuse hineinerstreckenden Teile.
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Das Gehäuse 2 ist zur Geräuschreduktion der im Betrieb des Aggregats entstehenden Geräusche konzipiert.
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Auch Einlassrohre und/oder Auslassrohre, welche zu dem Verdichter 3 hin- oder von diesem wegführen, oder zu dem Expander 6 hin- oder wegführen, sind von dem Gehäuse 2 umgeben.
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Gemäß der Darstellung 1 ist ein Auslassrohr 7 des Verdichters 3 gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist das Gehäuse 2 so ausgebildet, dass es beabstandet zum Aggregat konzipiert ist. Die Innenseite 8 des Gehäuses 2 ist somit zumindest bereichsweise beabstandet zu dem Aggregat oder zumindest zu einigen Einzelkomponenten 3 bis 6 des Aggregats, angeordnet.
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Zwischen der Innenseite 8 und dem Auslassrohr 7 des Verdichters 3 ist somit ein Abstand d ausgebildet, wodurch sich in der gezeigten Ausführung ein Freiraum in Form eines Luftraums ergibt.
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Dieser Luftraum kann zumindest teilweise mit einem Dämmmaterial gefüllt sein. An der Innenseite 8 kann auch eine Strukturierung vorgesehen sein, welche ähnlich einer Eierschachtel ausgebildet ist und somit Vertiefungen und Erhebungen aufweist. Selbstverständlich kann jedoch auch eine andere Strukturierung vorgesehen sein, welche eine Schallreduzierung ermöglicht und somit einen Geräuschaustritt aus dem Gehäuse 2 zumindest minimiert.
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Insbesondere ist das Gehäuse 2 selbst aus einem schallabsorbierenden Material ausgebildet. Dazu können vielfältige Ausgestaltungen vorgesehen sein, welche bereits im allgemeinen Teil der Anmeldung ausführlich genannt und erläutert wurden.
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Das Aggregat ist in dem Gehäuse 2 gelagert. Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass vier blockartige Lager in Form von Gummi-Metall-Kombinationselementen vorgesehen sind, wobei die Lagerung im Bereich des Elektromotors 5 innerhalb der Verschalung beziehungsweise dem Gehäuse 2 vorgesehen ist. Ebenso können die Lager in Form von metallischen oder nichtmetallischen Federn oder aus Elastomeren oder anderen elastischen Materialien ausgebildet sein. Dadurch kann ein tolerierter Bewegungsspielraum erreicht werden, wodurch das Aggregat nicht starr in der Kapsel beziehungsweise in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Auch dadurch kann die Reduzierung der Schallübertragung nochmals verbessert werden.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführung der Vorrichtung 1 gezeigt. Auch hier ist wieder das Gehäuse 2 zu erkennen. Darüber hinaus sind Manschetten 9 und 10 dargestellt, welche als separate Teile zum Gehäuse 2 konzipiert sind. In diesen Manschetten 9 und 10, welche aus einem schallabsorbierenden Material ausgebildet sind, erstrecken sich jeweils ein Einlassrohr oder ein Auslassrohr des Verdichters 3 oder des Expanders 6. Es umgibt die Manschette 9 ein Auslassrohr des Expanders 6 wobei die Manschette 10 ein Einlassrohr des Expanders 6 umgibt. Durch diese Ausgestaltung kann an kritischen Stellen der Geräuschbildung, nämlich an Schnittstellenbereichen beziehungsweise an Anbindungsbereichen, an Aufhängungsbereichen und dergleichen, des Verdichtereintritts des Verdichteraustritts, des Turbineneintritts, des Turbinenaustritts, an Kabeln und dergleichen, eine hocheffiziente Geräuschreduzierung erreicht werden. Ein höchster Entkopplungsgrad kann erreicht werden und die Übertragung von Körperschall auf die Umgebung minimiert werden.
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In 3 ist die Ausgestaltung der Vorrichtung 1 gemäß 2 in einer weiteren perspektivischen Darstellung gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 11 ist ein Einlassrohr des Verdichters dargestellt. Eine entsprechende Manschette ist hier nicht gezeigt.
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Vorzugsweise ist in allen Ausführungen das Gehäuse 2 mehrteilig ausgebildet. Beispielhaft ist dies in 3 gezeigt, wobei das Gehäuse 2 dort ein Gehäuseoberteil 12, ein Gehäuseunterteil 13 aufweist. Insbesondere können diese beiden Gehäuseteile 12 und 13 voneinander separiert werden, so dass das Aggregat oder Teile davon montiert oder demontiert werden können.
