DE102008018863A1 - Device for air supply - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen, umfassend mindestens eine Turbine und mindestens einen teilweise von der Turbine und/oder elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Welle fest gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist die Welle (8) strömungsausgangsseitig der Turbine (9) gelagert.The invention relates to a device for supplying air, in particular a fuel cell arrangement with a plurality of fuel cells, comprising at least one turbine and at least one of the turbine and / or electrically driven compressor, wherein the turbine and the compressor are fixedly coupled via a shaft. According to the invention, the shaft (8) is mounted on the outlet side of the turbine (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen, umfassend mindestens eine Turbine und mindestens einen teilweise von der Turbine angetriebenen und/oder elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Welle fest gekoppelt sind.The The invention relates to a device for air supply, in particular a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells, comprising at least one turbine and at least one part of the turbine driven and / or electrically driven compressor, wherein the turbine and the compressor are fixedly coupled via a shaft.

Luftversorger der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt und dienen beispielsweise zur Luftversorgung einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, und weisen einen teilweise von der Turbine und/oder von einem Elektromotor betriebenen Strömungsverdichter, insbesondere mit einem Verdichterrad und einem Radialdiffusor, auf.air supplier of the type mentioned are known in the art and serve, for example, for supplying air to a fuel cell arrangement, in particular a fuel cell stack, and have a partial from the turbine and / or from an electric motor operated flow compressor, in particular with a compressor wheel and a radial diffuser.

Zukünftige Luftversorgungssysteme für Brennstoffzellenanordnungen umfassen als Kern einen Strömungsverdichter, der mit einem Elektromotor angetrieben wird. In einer erweiterten Form wird zur Rückgewinnung von Energie eine Turbine adaptiert, die über ein variables Luftleitgitter-Element verfügt, wodurch bisherige Gegendruckklappen der Brennstoffzellenanordnung entfallen.future Air supply systems for fuel cell assemblies comprise as a core a flow compressor, which with a Electric motor is driven. In an expanded form becomes the Energy recovery, a turbine adapted over a variable air grille element has, whereby previous Back pressure flaps of the fuel cell assembly omitted.

In der Offenlegungsschrift DE 101 20 947 A1 wird eine Vorrichtung einer zweistufigen Luftversorgungseinheit gezeigt, bei der die erste Verdichterstufe mit einem Elektromotor angetrieben wird und in der zweiten Stufe eine Freiläuferanordnung entsprechend einem Abgasturbolader angeordnet ist. Die Freiläuferanordnung umfasst einen Strömungsverdichter und eine Turbine, die ihren Strömungsquerschnitt (= so genannte Schluckfähigkeit) den Betriebszuständen der Brennstoffzellenanordnung über ein einstellbares oder variables Element optimal anpasst.In the published patent application DE 101 20 947 A1 a device of a two-stage air supply unit is shown, in which the first compressor stage is driven by an electric motor and in the second stage, an idler arrangement is arranged corresponding to an exhaust gas turbocharger. The freewheel assembly comprises a flow compressor and a turbine, which optimally adapts its flow cross-section (= so-called absorption capacity) to the operating states of the fuel cell arrangement via an adjustable or variable element.

Aus der DE 103 06 234 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle bekannt, welche einen Expander (= Turbine) und einen zumindest teilweise davon angetriebenen Verdichter aufweist. Dabei wird die Turbine zumindest zeitweise von den heißen Abgasen der Verbrennung der Brennstoffzellenanordnung durchströmt. Dabei sind der Verdichter und die Turbine über eine möglichst ölfrei gelagerte Welle miteinander verbunden.From the DE 103 06 234 A1 Also, a device for supplying air to a fuel cell is known, which has an expander (= turbine) and an at least partially driven compressor. In this case, the turbine is at least temporarily traversed by the hot exhaust gases of the combustion of the fuel cell assembly. In this case, the compressor and the turbine are connected to each other via a possible oil-free shaft.

Bedingt durch die zwischen der Turbine und dem Verdichter vorgesehene Lagerung der Welle besteht die Gefahr, dass aus einem Lagergehäuse austretendes Schmiermittel in die Luftzuführung der Brennstoffzelle gelangt.conditioned by the storage provided between the turbine and the compressor the shaft is in danger of being out of a bearing housing leaking lubricant in the air supply of the fuel cell arrives.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Luftversorgung anzugeben, bei welcher insbesondere die Luftzuführung sicher ölfrei gehalten wird.Of the Invention is therefore the object of an opposite the prior art improved air supply device specify, in particular, the air supply safely oil-free is held.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.The The object is achieved by the in the claim 1 specified characteristics solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen, umfasst mindestens eine Turbine und mindestens einen zumindest teilweise von der Turbine und/oder elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Welle fest gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist die Welle strömungsausgangsseitig der Turbine gelagert.The Device for air supply, in particular a fuel cell arrangement with multiple fuel cells, includes at least one turbine and at least one at least partially from the turbine and / or electrically driven Compressor, with the turbine and the compressor via a shaft are firmly coupled. According to the invention, the shaft flow outlet side of the turbine stored.

Durch eine derartige Anordnung der Wellenlagerung bei Verwendung der Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung stromab der Brennstoffzellenanordnung ist die Luftzuführung zur Brennstoffzellenanordnung absolut ölfrei gehalten. Falls geringe Schmiermittelmengen aus einem Lagergehäuse der Lagerung austreten sollten, besteht keinerlei Gefahr, dass das Schmiermittel entgegen der Gasstromrichtung in die Brennstoffzelle gelangen könnte, da die Lagerung stromab des einströmenden Gasstroms angeordnet ist. Darüber hinaus kann anfallendes Kondensat (Wasserausfall) vor und in der Turbine sicher vermieden werden. Ferner kann die bei der Verdichtung entstehende Wärme auf der Luftseite für die Abgasseite genutzt werden.By Such an arrangement of the shaft bearing when using the air supply device for a fuel cell assembly downstream of the fuel cell assembly the air supply to the fuel cell assembly is absolutely free of oil held. If small amounts of lubricant from a bearing housing should escape from storage, there is no risk that the Lubricant against the gas flow direction in the fuel cell could come because the storage downstream of the incoming Gas stream is arranged. In addition, accumulating Condensate (water failure) before and safely avoided in the turbine become. Furthermore, the heat generated during compression can be used on the air side for the exhaust side.

In einer möglichen Ausführungsform ist die Welle in einem Lagergehäuse gelagert, das mittels Streben an einem Turbinengehäuse der Turbine fixiert ist. Da die Lagerung der Welle strömungsausgangsseitig im Abgasstrom der Turbine angeordnet ist, sind die Streben zweckmäßigerweise strömungsdynamisch derart ausgebildet, dass der Abgasstrom homogen abgeführt wird.In One possible embodiment is the shaft stored in a bearing housing, which by means of struts a turbine housing of the turbine is fixed. Because the storage the shaft flow output side in the exhaust stream of the turbine is arranged, the struts are suitably flow dynamics designed such that the exhaust stream is homogeneous is dissipated.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einer der oder mehrere oder alle der Streben mit zumindest einer Hohlkanalstruktur versehen ist bzw. sind. Dabei weist die jeweilige Hohlkanalstruktur der Strebe/n eine Anschlussöffnung auf.In a development of the invention is provided that at least one or more or all of the struts with at least one Hollow channel structure is or are provided. In this case, the respective Hollow channel structure of the strut / n a connection opening.

Über diese Anschlussöffnung/en ist vorteilhafterweise zumindest ein Schmiermedium, insbesondere ein flüssiges Schmiermedium, z. B. Öl, zuführbar. Alternativ oder zusätzlich ist der Lagerung über die Anschlussöffnung zumindest ein Kühlmedium, z. B. Luft oder ein anderes geeignetes Kühlmedium, zuführbar.about this connection opening / s is advantageously at least a lubricating medium, in particular a liquid lubricant, z. As oil, fed. Alternatively or in addition is storage over the connection opening at least a cooling medium, e.g. As air or another suitable Cooling medium, can be fed.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Turbine strömungseingangsseitig mit mindestens einem einstellbaren Verstellelement (auch Varioeinheit genannt) versehen, um insbesondere variable Strömungseingangsquerschnitte an der Turbine zu erzielen. Auch können nach der Turbine Verstellelemente angeordnet sein, um eine Aufstaufunktion zu erzielen. Für eine hohe Energierückgewinnung und somit zur Erzielung eines besseren Wirkungsgrads ist der Strömungsquerschnitt turbineneingangsseitig mittels des Verstellelements variabel einstellbar. Hierzu ist beispielsweise vor dem Turbinenrad als Verstellelement ein einstellbares Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet, dessen engste Kanalquerschnitte durch dreh- oder translatorische Bewegungen von Elementen des Leitgitters veränderbar sind. Hierdurch wird nicht nur die engste Durchströmfläche verändert, sondern auch die Zuströmrichtung zum Turbinenrad, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine und der Energierückgewinn sowie der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird.In In another embodiment, the turbine is at the flow input side with at least one adjustable adjustment element (also called Vario unit) provided in particular variable flow input cross-sections to achieve at the turbine. Also, after the turbine Adjustment be arranged to achieve a Aufstauunktion. For a high energy recovery and thus for Achieving a better efficiency is the flow cross section Turbine input side variable adjustable by means of the adjustment. For this purpose, for example, in front of the turbine wheel as adjusting an adjustable guide grid arranged with vanes, whose Narrowest channel cross-sections through rotary or translatory movements are changeable by elements of the guide grid. hereby Not only the narrowest flow area is changed, but also also the inflow direction to the turbine wheel, whereby the efficiency the turbine and the energy recovery as well as the overall efficiency is improved.

In einer möglichen Ausführungsform umfasst das Verstellelement mindestens einen stationären Leitgitterring mit mehreren festen Leitschaufeln und eine axial bewegliche Matrize mit Öffnungen. Dabei dienen die Öffnungen der Aufnahme der Leitschaufeln, wobei durch axiales Bewegen der Matrize in Richtung auf die Enden der Leitschaufeln zu oder von diesen weg die Öffnungen und somit der Strömungsquerschnitt vergrößert oder verkleinert wird.In a possible embodiment comprises the adjusting element at least one stationary Leitgitterring with several fixed vanes and an axially movable die with openings. The openings serve to receive the guide vanes, wherein by axially moving the die toward the ends the vanes to or from these openings and thus increases the flow cross-section or reduced in size.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Verdichter und die Turbine als eine Baueinheit ausgebildet, wobei zumindest eine der beiden Komponenten Mittel zur Beeinflussung eines anströmenden und/oder abströmenden Mediums, insbesondere der einströmenden Frischluft oder des ausströmenden Abgases, aufweist, z. B. ein turbinenseitig angeordnetes Leitgitter. Zusätzlich kann die elektrische Maschine in die Baueinheit integriert sein. Somit ist eine weitgehend kompakte Baueinheit gegeben, so dass die Luftversorgungsvorrichtung für verschiedene Anwendungen, z. B. für eine Brennstoffzellenanordnung, aber auch für eine Hilfsenergieversorgung eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs geeignet ist.In In a preferred embodiment, the compressor and the turbine is designed as a structural unit, wherein at least one the two components means for influencing an oncoming and / or effluent medium, in particular the inflowing Fresh air or the effluent exhaust gas, has, for. B. a turbine side arranged Leitgitter. additionally the electric machine can be integrated in the unit. Thus, a largely compact unit is given, so that the Air supply device for various applications, z. B. for a fuel cell assembly, but also for an auxiliary power supply of a land, water or aircraft suitable is.

Zweckmäßigerweise ist die Baueinheit als ein Wärmeleitelement ausgebildet. Hierzu ist die Baueinheit vorzugsweise aus einem Wärme leitenden Material, insbesondere aus Aluminium. Dies führt zu einer hohen Wärmekopplung und -ableitung.Conveniently, the structural unit is designed as a heat-conducting element. For this purpose, the assembly is preferably made of a heat conductive material, in particular of aluminum. this leads to to a high heat coupling and dissipation.

In einer weiteren Ausführung sieht die Erfindung vor, dass der Verdichter und die Turbine durch ein Trennelement zumindest bereichsweise voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist das Trennelement mit mindestens einem Stellelement, insbesondere mit Regel- oder Steuerventilen versehen. Hierdurch ist ein Bypass-Strom für die Brennstoffzellenanordnung ermöglicht, so dass durch entsprechende Steuerung und/oder Regelung des Stellelements eine geforderte Durchsatzmenge für die Brennstoffzellenanordnung erreicht wird. Dabei werden die Stellelemente insbesondere im unteren Durchsatzmengenbereich betätigt, um Instabilitäten des Verdichters bei zu geringen Durchsatzmengen zu vermeiden. Auch kann das Stellelement zum Thermomanagement, insbesondere zur Beeinflussung der Luftströme bei einem Kaltstart, betätigt werden.In In a further embodiment, the invention provides that the compressor and the turbine by a separator at least partially separated from each other. Preferably, the separating element with at least one control element, in particular with control or Provided control valves. This is a bypass current for allows the fuel cell assembly, so that corresponding control and / or regulation of the actuating element a Required throughput for the fuel cell assembly is reached. In this case, the adjusting elements, in particular in the lower Throughput range actuated to instabilities to avoid the compressor at too low flow rates. Also can the actuator for thermal management, in particular for influencing the air flows during a cold start, be operated.

Vorzugsweise findet die Luftversorgungsvorrichtung in einer mobilen Brennstoffzellenanordnung zur Versorgung dieser mit Verbrennungsluft Anwendung. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Luftversorger anstatt für eine Brennstoffzellen-Luftversorgung für die Aufladung von Verbrennungsmotoren oder für andere geeignete Anwendungen einzusetzen.Preferably finds the air supply device in a mobile fuel cell assembly Supply this with combustion air application. It is also possible, the air supplier according to the invention instead of for a fuel cell air supply for charging internal combustion engines or other suitable applications use.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.embodiments The invention will be explained in more detail with reference to drawings.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Luftversorgung für eine Brennstoffzellenanordnung, und 1 schematically a device for air supply for a fuel cell assembly, and

2 schematisch in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Luftversorgung als eine integrierte Baueinheit mit einer strömungsausgangsseitig der Turbine vorgesehenen Wellenlagerung. 2 schematically in sectional view an embodiment of a device for air supply as an integrated unit with a flow outlet side of the turbine shaft bearing provided.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 1, umfassend mehrere Brennstoffzellen, die insbesondere zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. 1 shows a fuel cell assembly 1 comprising a plurality of fuel cells, which are arranged in particular to form a fuel cell stack.

Der Brennstoffzellenanordnung 1 wird über eine Luftzufuhr 2 Umgebungs- oder Frischluft FL durch eine Verdichteranordnung 3 aus einem Niederdruckverdichter 3.1 und einem Hochdruckverdichter 3.2 zugeführt. Alternativ kann die Verdichteranordnung 3 nur aus einem Verdichter, der elektrisch zeitweise angetrieben sein kann, bestehen (nicht näher dargestellt).The fuel cell assembly 1 is via an air supply 2 Ambient or fresh air FL through a compressor arrangement 3 from a low pressure compressor 3.1 and a high pressure compressor 3.2 fed. Alternatively, the compressor assembly 3 only from a compressor, which may be electrically powered at times, consist (not shown).

Die Verdichteranordnung 3 verdichtet die Luft ausgehend von einem Umgebungsdruck auf ein für die Versorgung der Brennstoffzellenanordnung 1, insbesondere den Kathodenraum notwendiges Druckniveau und führt die verdichtete Luft über einen Einlasskanal 11 der Brennstoffzellenanordnung 1 zu.The compressor arrangement 3 compresses the air from an ambient pressure to a for the supply of the fuel cell assembly 1 , in particular the cathode chamber necessary pressure level and leads the compressed air through an inlet channel 11 the fuel cell assembly 1 to.

Der Niederdruckverdichter 3.1 ist über eine Antriebswelle 4 mit einer elektrischen Maschine 5 verbunden. Die elektrische Maschine 5 kann dabei über eine direkte Energiezuführung 6 von der Brennstoffzellenanordnung 1 oder einem Energiespeicher 7 angetrieben werden und die Verdichteranordnung 3 zeitweise antreiben.The low pressure compressor 3.1 is about one drive shaft 4 with an electric machine 5 connected. The electric machine 5 can do this via a direct energy supply 6 from the fuel cell assembly 1 or an energy store 7 be driven and the compressor assembly 3 drive temporarily.

Der Hochdruckverdichter 3.2 ist über eine Welle 8 mit einer Turbine 9 gekoppelt.The high pressure compressor 3.2 is about a wave 8th with a turbine 9 coupled.

Das aus der Brennstoffzellenanordnung 1 austretende Abgas wird über einen Auslasskanal 10 der Turbine 9 zugeführt, wodurch der Hochdruckverdichter 3.2 über die Turbine 9 zeitweise angetrieben wird.That from the fuel cell assembly 1 Exhausting exhaust gas is discharged through an exhaust duct 10 the turbine 9 fed, causing the high pressure compressor 3.2 over the turbine 9 is driven temporarily.

Vom Einlasskanal 11 führt ein Bypass-Kanal 12 in den Auslasskanal 10. Der Bypass-Kanal 12 (auch Umblasekanal genannt) dient der Vermeidung eines Pumpens der Verdichteranordnung 3 und/oder einem Thermomanagement z. B. bei einem Kaltstart. Hierzu ist in den Bypass-Kanal 12 eine Betätigungseinrichtung 13, z. B. ein Steuer- oder Regelventil, angeordnet. Je nach Verdichterkennfeld wird die Betätigungseinrichtung 13 gegebenenfalls geöffnet, wenn ein Betriebsbereich nahe einer Pumpgrenze erreicht ist, damit der Massenstrom durch die Verdichteranordnung 3 größer als der Brennstoffzellen-Luftstrom ist, wodurch ein Pumpen der Verdichteranordnung 3 vermieden ist.From the inlet channel 11 performs a bypass channel 12 in the outlet channel 10 , The bypass channel 12 (Also called Umblasekanal) serves to avoid a pumping of the compressor assembly 3 and / or a thermal management z. B. at a cold start. This is in the bypass channel 12 an actuator 13 , z. As a control or regulating valve arranged. Depending on the compressor map is the actuator 13 optionally opened when an operating range near a surge line is reached, so that the mass flow through the compressor assembly 3 greater than the fuel cell airflow, thereby pumping the compressor assembly 3 is avoided.

Im dem in der Turbine 9 nachgeschalteten Kondensator 14 erfolgt die Trennung der Wasseranteile W von der Luft L.Im that in the turbine 9 downstream capacitor 14 the separation of the water components W from the air L.

Für eine variable Einstellung des Strömungsquerschnitts der Turbine 9 umfasst diese strömungseingangsseitig ein Verstellelement 15, insbesondere ein variables Luftleitgitter, wie es in 2 näher dargestellt ist.For a variable adjustment of the flow cross-section of the turbine 9 this flow input side comprises an adjusting element 15 , in particular a variable air grille, as in 2 is shown in more detail.

Zur Steuerung der Luftzufuhr in die Brennstoffzellenanordnung 1 und der Abgasabfuhr aus dieser heraus sowie zur Einstellung von Bypass-Strömen zur Vermeidung von Pumpbetriebszuständen ist eine Steuer- und/oder Regelungseinheit 16 vorgesehen, die über Steuerleitungen 17.1 bis 17.3 mit dem Verstellelement 15, mit der Betätigungseinrichtung 13 und dem Energiespeicher 7 in Verbindung steht.For controlling the air supply in the fuel cell assembly 1 and the Abgasabfuhr out of this and for adjusting bypass currents to avoid pumping conditions is a control and / or regulating unit 16 provided via control lines 17.1 to 17.3 with the adjusting element 15 , with the actuating device 13 and the energy storage 7 communicates.

Von Bedeutung ist die Sicherstellung der Ölfreiheit der Brennstoffzellen-Zufuhr über den Einlasskanal 11. Hierzu sind der Hochdruckverdichter 3.2 und die Turbine 9 als eine integrierte Baueinheit 18 ausgebildet, die als Wärmeleitelement dient und aus Aluminium gefertigt ist und anhand des Ausführungsbeispiels nach 2 nachfolgend näher erläutert wird.Of importance is the assurance of oil-free fuel cell supply via the inlet channel 11 , These are the high pressure compressor 3.2 and the turbine 9 as an integrated unit 18 formed, which serves as a heat conducting element and is made of aluminum and based on the embodiment according to 2 will be explained in more detail below.

Hierzu ist in 2 die integrierte Baueinheit 18 dargestellt, die als ein so genannter Zweiradmonolith aus einem Verdichterrad 3.2.1 des Hochdruckverdichters 3.2 und aus einem Turbinenrad 9.1 der Turbine 9 besteht. Bei der integrierten Baueinheit 18 handelt es sich insbesondere um eine Freiläuferanordnung entsprechend einem Abgasturbolader.This is in 2 the integrated unit 18 shown as a so-called Zweiradmonolith from a compressor wheel 3.2.1 of the high pressure compressor 3.2 and from a turbine wheel 9.1 the turbine 9 consists. In the integrated unit 18 it is in particular an idler arrangement corresponding to an exhaust gas turbocharger.

Das Verdichterrad 3.2.1 und das Turbinenrad 9.1 sind über die Welle 8 miteinander gekoppelt. Die Welle 8 ist in einem Lagergehäuse 8.1 mittels einer nicht näher dargestellten Lagerung gelagert. Dabei ist die Welle 8 strömungsausgangsseitig des Turbinenrades 9.1 der Turbine 9 im Bereich eines Abgasauslasses A und somit stromab der Brennstoffzellenanordnung 1 gelagert. Dabei kann es sich um eine geeignete Lagerung handeln, so kann es sich um eine zu schmierende oder auch eine auf Lebensdauer autarke, fettgeschmierte Lagerung handeln. Es kann sich aber auch um eine ölfreie Lagerung, insbesondere eine Luft- oder Magnetlagerung handeln.The compressor wheel 3.2.1 and the turbine wheel 9.1 are over the wave 8th coupled together. The wave 8th is in a bearing housing 8.1 stored by means of a non-illustrated storage. Here is the wave 8th flow output side of the turbine wheel 9.1 the turbine 9 in the region of an exhaust outlet A and thus downstream of the fuel cell assembly 1 stored. This can be a suitable storage, so it can be a self-lubricating or self-lubricating life-lubricated storage. But it may also be an oil-free storage, in particular an air or magnetic storage.

Das Lagergehäuse 8.1 ist mittels strömungsgünstig gestalteter Streben 19 am Turbinengehäuse 9.2 der Turbine 9 fixiert. Über eine verschließbare Anschlussöffnung 20 und eine innere Hohlkanalstruktur 19.1 der Streben 19 kann den Lagerstellen der Lagerung ein insbesondere flüssiges Schmiermittel, insbesondere ein Schmieröl, zugeführt werden. Für ölfreie Lagerungen ist dies nicht erforderlich. Alternativ kann zur Kühlung der Lagerung ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, über die Anschlussöffnung 20 der Hohlkanalstruktur 19.1 zugeführt werden.The bearing housing 8.1 is by means of aerodynamically designed struts 19 at the turbine housing 9.2 the turbine 9 fixed. Via a closable connection opening 20 and an inner hollow channel structure 19.1 the aspiration 19 For example, it is possible to supply the bearing points of the bearing with a liquid lubricant, in particular a lubricating oil. This is not necessary for oil-free bearings. Alternatively, for cooling the storage, a cooling medium, in particular cooling air, via the connection opening 20 the hollow channel structure 19.1 be supplied.

Zur Einstellung des Strömungsquerschnitts für das Abgas A und somit für eine effektive Energierückgewinnung ist strömungseingangsseitig über dem Turbinenrad 9.1 das Verstellelement 15 (auch Varioeinheit oder Leitgitter genannt) angeordnet, mit dem der engste Querschnitt des Brennstoffzellensystems für eine optimale Brennstoffzellenluftversorgung eingestellt werden kann.To adjust the flow cross-section for the exhaust gas A and thus for an effective energy recovery is the flow input side above the turbine wheel 9.1 the adjusting element 15 (Also called Varioeinheit or Leitgitter called) arranged, with which the narrowest cross-section of the fuel cell system can be adjusted for optimum fuel cell air supply.

Das Verstellelement 15 umfasst einen festen Leitgitterring 15.1 mit mehreren Leitschaufeln und eine axial bewegliche Matrize 15.2, die mit Öffnungen 15.3 versehen ist, in welche die Enden der Leitschaufeln aufnehmbar sind. Durch axiales Verschieben der Matrize 15.2 und den in den Öffnungen 15.3 aufnehmbaren Enden der Leitschaufeln des Leitgitterrings 15.1 ist der Öffnungsquerschnitt variabel einstellbar. Hierzu ist die Matrize 15.2 über die Steuerleitung 17.1 (siehe 1) und einen zugehörigen nicht näher dargestellten Antrieb axial verschiebbar.The adjusting element 15 includes a solid guide ring 15.1 with multiple vanes and an axially movable die 15.2 with openings 15.3 is provided, in which the ends of the vanes are receivable. By axial displacement of the die 15.2 and in the openings 15.3 receivable ends of the vanes of the Leitgitterrings 15.1 the opening cross-section is variably adjustable. The template is for this 15.2 over the control line 17.1 (please refer 1 ) and an associated drive, not shown, axially displaceable.

Das Konzept der unmittelbaren benachbarten Anordnung von Verdichter 3.2 und Turbine 9 in der integrierten Baueinheit 18 bietet eine sehr gute Voraussetzung für die Wärmenutzung der Luftseite, durch einen Wärmefluss und eine Wärmeübertragung vom Verdichter 3.2 zur Turbine 9 hin. Bedingt durch die auf der Verdichterseite deutlich höheren Temperaturen erfolgt die Wärmeübertragung zur Turbinenseite und somit in die gewünschte Richtung. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen des Verdichters 3.2 und der Turbine 9, insbesondere in deren Radkanälen, im Verdichter-Diffusor und in Turbinendüsen, werden hohe Wärmeübergangszahlen erreicht, wodurch der gewünschte Wärmefluss zur Turbine 9 hin begünstigt ist.The concept of the immediate adjacent arrangement of compressors 3.2 and turbine 9 in the integrated unit 18 offers a very good condition for the heat utilization of the air side, by a heat flow and a heat transfer from the compressor 3.2 to the turbine 9 out. conditioned Due to the significantly higher temperatures on the compressor side, the heat is transferred to the turbine side and thus in the desired direction. Due to the high flow velocities in the flow channels of the compressor 3.2 and the turbine 9 , in particular in their Radkanälen, in the compressor-diffuser and in turbine nozzles, high heat transfer coefficients are achieved, whereby the desired heat flow to the turbine 9 is favored.

Somit dient die integrierte Baueinheit 18 aus Verdichter 3.2 und Turbine 9 auch als ein Wärmeleitelement. Dabei bestehen beispielsweise im Betriebsnennpunkt der Brennstoffzellenanordnung 1 Temperaturdifferenzen zwischen Verdichter 3.2 und Turbine 9, die merklich über 100°C liegen können, wodurch die Voraussetzung für einen effizienten Wärmetransport in der integrierten Baueinheit 18 von der Luftseite ”Verdichter 3.2” zur Abgasseite ”Turbine 9” gegeben ist.Thus, the integrated unit serves 18 from compressor 3.2 and turbine 9 also as a heat-conducting element. In this case, for example, in the nominal operating point of the fuel cell arrangement 1 Temperature differences between compressors 3.2 and turbine 9 , which can be noticeably above 100 ° C, which is the prerequisite for efficient heat transfer in the integrated unit 18 from the air side "compressor 3.2 "To the exhaust side" turbine 9 " given is.

Diese Wärmekopplung führt zu einer verbesserten Verwertung der Energie der Turbine 9, wobei die Energie bei Nutzung für die elektrische Maschine 5 quasi über die elektrische Maschine 5 in das Luftversorgungssystem eingespeist werden kann.This heat coupling leads to an improved utilization of the energy of the turbine 9 , where the energy when used for the electric machine 5 almost via the electric machine 5 can be fed into the air supply system.

Je nach Größe und Anwendung der Brennstoffzellenanordnung 1 und der Luftversorgungsvorrichtung aus Verdichteranordnung 3 und Turbine 9 mit der integrierten Baueinheit 18 liegen die üblichen Betriebstemperaturen unterhalb von 250°C. Hierdurch kann die integrierte Baueinheit 18, d. h. das Turbinenrad 9.1 und das Verdichterrad 3.2.1 aus einem besonders Wärme leitenden Material, insbesondere aus Aluminium, gefertigt sein, was eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.Depending on the size and application of the fuel cell assembly 1 and the air supply device from the compressor assembly 3 and turbine 9 with the integrated unit 18 the usual operating temperatures are below 250 ° C. This allows the integrated unit 18 ie the turbine wheel 9.1 and the compressor wheel 3.2.1 be made of a particularly heat-conducting material, in particular made of aluminum, which allows a very high thermal conductivity.

Alternativ zu der Ausführung von Verdichterrad 3.2.1 und Turbinenrad 9.1 als Vollkörper oder Vollmonolith mit Welle 8 können andere konstruktive Lösungen, z. B. Zuganker aus Stahl oder Lagerhülsenvarianten oder andere geeignete Mittel, vorgesehen sein, um die Funktionen der Wärmeleitung auf der Einen und der Verschleißfestigkeit an den Lagerstellen auf der anderen Seite in kostengünstiger Weise sicherzustellen.Alternatively to the version of compressor wheel 3.2.1 and turbine wheel 9.1 as a full body or full monolith with a shaft 8th Other constructive solutions, such. As tie rods made of steel or bearing sleeve variants or other suitable means may be provided to ensure the functions of heat conduction on the one and the wear resistance of the bearings on the other side in a cost effective manner.

Die Zielsetzung, die Kondensatmenge im Kondensator 14 gering zu halten, wird durch eine derart aufgebaute integrierte Baueinheit 18 als Wärmeleitelement mit strömungsausgangsseitiger Lagerung unterstützt, besonders wenn man die integrierte Baueinheit 18 ohne große Verrohrungslängen direkt an den Brennstoffzellenaustritt der Brennstoffzellenanordnung 1 anordnet oder sogar in die Brennstoffzellenanordnung 1 integriert.The objective, the amount of condensate in the condenser 14 is kept low by such an integrated unit 18 supported as a heat conducting element with flow outlet side storage, especially if the integrated unit 18 without large piping lengths directly to the fuel cell outlet of the fuel cell assembly 1 arranges or even in the fuel cell assembly 1 integrated.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die nah aneinander angrenzenden Komponenten Verdichter 3.2 und Turbinen 9 zur Erzielung einer gewünschten Umblasung U für eine integrierten Bypass-Führung der Brennstoffzellenanordnung 1 genutzt werden. Hierzu ist zwischen dem Verdichter 3.2 strömungsausgangsseitig und der Turbine 9 strömungseingangsseitig ein Trennelement 21 angeordnet. Dabei ist das Trennelement 21 mit nicht näher dargestellten Stellelementen, z. B. regelbare oder steuerbare Ventile, versehen, wodurch eine in der Baueinheit 18 integrierte Umblasung U zwischen den beiden Spiralgehäusen von Verdichter 3.2 und Turbine 9 ermöglicht ist. Durch eine derart integrierte Umblasung U kann der Bypass-Kanal 12 mit dem zugehörigen Stellelement 13 entfallen. Mit dieser integrierten Umblasfunktion der Baueinheit 18 kann die Luftversorgungsvorrichtung für die Brennstoffzellenanordnung 1 zur Vermeidung einer Pumpneigung oder für ein effektives Thermomanagement, z. B. beim Kaltstart, wirksam beeinflusst werden.A further advantageous embodiment provides that the closely adjacent components compressor 3.2 and turbines 9 to achieve a desired Umblasung U for an integrated bypass lead the fuel cell assembly 1 be used. This is between the compressor 3.2 flow outlet side and the turbine 9 flow input side, a separator 21 arranged. Here is the separator 21 with not shown adjusting elements, eg. B. controllable or controllable valves, provided, whereby one in the assembly 18 integrated Umblasung U between the two volute casing of compressor 3.2 and turbine 9 is possible. By such an integrated Umblasung U, the bypass channel 12 with the associated control element 13 omitted. With this integrated blowing function of the unit 18 can the air supply device for the fuel cell assembly 1 to avoid a tendency to pump or for effective thermal management, eg. B. during cold start, be influenced effectively.

11
BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly
22
Luftzufuhrair supply
33
Verdichteranordnungcompressor assembly
3.13.1
NiederdruckverdichterLow-pressure compressor
3.23.2
HochdruckverdichterHigh-pressure compressors
3.2.13.2.1
Verdichterradcompressor
44
Antriebswelledrive shaft
55
elektrische Maschineelectrical machine
66
Energiezuführungpower supply
77
Energiespeicherenergy storage
88th
Wellewave
99
Turbineturbine
9.19.1
Turbinenradturbine
9.29.2
Turbinengehäuseturbine housing
1010
Auslasskanalexhaust port
1111
Einlasskanalinlet channel
1212
Bypass-KanalBypass channel
1313
Betätigungselementactuator
1414
Kondensatorcapacitor
1515
Verstellelementadjustment
15.115.1
Leitgitterringguide grid
15.215.2
axial bewegliche Matrizeaxial movable die
15.315.3
Öffnungopening
1616
Steuer- und/oder RegelungseinheitTax- and / or control unit
17.1 bis 17.317.1 until 17.3
Steuerleitungencontrol lines
1818
integrierte Baueinheitintegrated unit
1919
Strebenpursuit
19.119.1
HohlkanalstrukturHollow channel structure
2020
Anschlussöffnungport opening
2121
Trennelementseparating element
AA
Abgasauslassexhaust outlet
FLFL
Frischluftfresh air
LL
Luftair
UU
UmblasungUmblasung
WW
Wasserwater

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10120947 A1 [0004] DE 10120947 A1 [0004]
  • - DE 10306234 A1 [0005] - DE 10306234 A1 [0005]

Claims (14)

Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen, umfassend mindestens eine Turbine und mindestens einen teilweise von der Turbine und/oder elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Welle fest gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) strömungsausgangsseitig der Turbine (9) gelagert ist.Device for supplying air, in particular a fuel cell arrangement with a plurality of fuel cells, comprising at least one turbine and at least one of the turbine and / or electrically driven compressors, wherein the turbine and the compressor are fixedly coupled via a shaft, characterized in that the shaft ( 8th ) flow output side of the turbine ( 9 ) is stored. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) in einem Lagergehäuse (8.1) gelagert ist, das mittels Streben (19) an einem Turbinengehäuse (9.2) der Turbine (9) fixiert ist.Device according to claim 1, characterized in that the shaft ( 8th ) in a bearing housing ( 8.1 ), which by means of struts ( 19 ) on a turbine housing ( 9.2 ) of the turbine ( 9 ) is fixed. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der oder mehrere oder alle der Streben (19) mit zumindest einer Hohlkanalstruktur (19.1) versehen ist bzw. sind.Apparatus according to claim 2, characterized in that at least one or more or all of the struts ( 19 ) with at least one hollow channel structure ( 19.1 ) is or are provided. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Hohlkanalstruktur (19.1) der Strebe/n (19) in eine Anschlussöffnung (20) münden.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the respective hollow channel structure ( 19.1 ) of the strut (s) ( 19 ) in a connection opening ( 20 ). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder den Anschlussöffnungen (20) zumindest ein Kühlmedium zuführbar ist.Apparatus according to claim 4, characterized in that the and / or the connection openings ( 20 ) At least one cooling medium can be fed. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder den Anschlussöffnungen (20) zumindest ein Schmiermedium zuführbar ist.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the and / or the connection openings ( 20 ) at least one lubricant medium can be fed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9) strömungseingangsseitig mit einem einstellbaren Verstellelement (15) versehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 9 ) on the flow input side with an adjustable adjusting element ( 15 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (15) mindestens einen stationären Leitgitterring (15.1) und eine axial bewegliche Matrize (15.2) mit Öffnungen (15.3) umfasst.Apparatus according to claim 7, characterized in that the adjusting element ( 15 ) at least one stationary Leitgitterring ( 15.1 ) and an axially movable die ( 15.2 ) with openings ( 15.3 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3.2) und die Turbine (9) als eine Baueinheit (18) ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 3.2 ) and the turbine ( 9 ) as a structural unit ( 18 ) are formed. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (18) als ein Wärmeleitelement ausgebildet ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the structural unit ( 18 ) is formed as a heat conducting element. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (18) aus Aluminium ist.Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the structural unit ( 18 ) is made of aluminum. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3.2) und die Turbine (9) durch ein Trennelement (21) zumindest bereichsweise voneinander getrennt sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 3.2 ) and the turbine ( 9 ) by a separating element ( 21 ) are at least partially separated from each other. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (21) mit mindestens einem Stellelement, insbesondere mit regel- oder steuerbaren Ventilen, versehen ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the separating element ( 21 ) is provided with at least one adjusting element, in particular with controllable or controllable valves. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine mobile Brennstoffzellenanordnung (1).Use of the device according to one of the preceding claims for a mobile fuel cell arrangement ( 1 ).
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