DE102008044876A1

DE102008044876A1 - Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102008044876A1
Application number: DE102008044876A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Stute; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: STUTE, MANFRED, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-04
Also published as: WO2010022827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit (14) für eine Brennstoffzelle (2), die einen Verdichter (16), eine elektrische Antriebseinheit (17) zum Antrieb des Verdichters (16) und eine Turbine (27) umfasst, wobei der Verdichter (16) ein Verdichterrad (21) aufweist und wobei die elektrische Antriebseinheit (17) ein Gehäuse (24) und einen in dem Gehäuse (24) mittels einer Lagereinheit (25) drehbar gelagerten Rotor (23) aufweist und wobei die Turbine (27) ein Turbinenrad (33) umfasst und wobei das Verdichterrad (21), der Rotor (23) und das Turbinenrad (33) drehfest miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß sind der Verdichter (16), der Rotor (23), die Turbine (27) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK: RoK = (nuV*DKR)/nuT*nuRV mit nunu = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters; nuT = Geschwindigkeitskennwert der Turbine; DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und nuRV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter, eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters und eine Turbine umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf, die elektrische Antriebseinheit umfasst ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor und die Turbine beinhaltet ein Turbinenrad. Das Verdichterrad, der Rotor und das Turbinenrad sind drehfest miteinander verbunden.
Aus der DE 10 2007 011 681 A1 ist eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Luftversorgungseinheit umfasst dabei einen Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Zwischen dem Verdichter und der Turbine ist eine elektrische Antriebseinheit angeordnet, so dass der Verdichter sowohl von der Turbine als auch von der elektrischen Antriebseinheit angetrieben ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine besonders effiziente Luftversorgungseinheit der eingangs genannten Art für eine Brennstoffzelle bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Luftversorgungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß sind der Verdichter, der Rotor, die Turbine und die Lagereinheit derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert:
mit

v_V: = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters;
v_T: = Geschwindigkeitskennwert der Turbine;
D_KR: = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und
v_RV: = Geschwindigkeitskennwert des Rotors

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads, der Geschwindigkeitskennwert der Turbine als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads, der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser der Lagereinheit und/oder der Geschwindigkeitskennwert des Rotors als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors festgelegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2. Die zur Berechnung des Rotationskennwerts erforderlichen Kennwerte werden dabei bevorzugt in einer einheitlichen Einheit, zum Beispiel in m/s, ermittelt, so dass der Rotationskennwert eine dimensionslose Größe ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2. Im Stillstand der Luftversorgungseinheit wäre der Rotationskennwert unbestimmt, er kann hier jedoch über eine Grenzwertbetrachtung ermittelt werden. Eine Luftversorgungseinheit, die entsprechend dem Rotationskennwert ausgelegt ist, zeichnet sich durch einen ausgewogenen Kompromiss zwischen den Entwicklungszielgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters oder der Verdichterstufen und der Turbine, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit aus. Mit dem Rotationskennwert ist einem Fachmann darüber hinaus eine Möglichkeit an die Hand gegeben, Entwürfe der Luftversorgungseinheit bereits in einem frühen Entwicklungsstadium hinsichtlich verschiedener Entwicklungszielgrößen zu bewerten.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 ein Antriebssystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Luftversorgungseinheit;
2 eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit und
3 eine schematische Darstellung eines Auslegungsbereichs der Luftversorgungseinheit.
In 1 ist ein Antriebssystem 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Antriebssystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, der Luft über ein Einlasssystem 3 zuführbar ist. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle 2. Über ein Auslasssystem 4 ist die Luft aus der Brennstoffzelle 2 ausleitbar.
Aus einem Tank 5 ist der Brennstoffzelle 2 ferner über eine Brennstoffzuleitung 6 und ein Brennstoffventil 7 ein Brennstoff in Form von Wasserstoff zuführbar. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in der Brennstoffzelle 2 miteinander, wobei chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt beziehungsweise ein elektrischer Strom erzeugt wird.
Der in der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Strom ist über Stromleitungen 8 einer elektrischen Speichereinheit in Form eines Akkumulators 9 zuführbar. Aus dem Akkumulator 9 lässt sich ein elektrischer Motor 10 speisen, dem an einer Antriebswelle 11 ein Drehmoment beispielsweise zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs entnehmbar ist.
Nach Durchströmen der Brennstoffzelle 2 ist die Luft über ein Auslasssystem 4 aus der Brennstoffzelle 2 ausleitbar. Das Auslasssystem 4 umfasst eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung 13, die beispielsweise als Entwässerungseinrichtung ausgestaltet ist.
Das Antriebssystem gemäß 1 weist eine parallel zur Brennstoffzelle 2 angeordnete Bypassleitung 28 auf, in der eine Brennkammer 29 angeordnet ist, der über eine Zuleitung 30 Brennstoff aus dem Tank 5 zuführbar ist. Die Zuleitung 30 umfasst ein zweites Brennstoffventil 31, mit dessen Hilfe ein Brennstoffmassenstrom durch die Zuleitung 30 regulierbar ist. Eine Massenstromverteilung der Luft zwischen der Zuleitung zu der Brennstoffzelle 2 und der Bypassleitung 28 ist mittels eines Regelventils 32 einstellbar (so genannte Umblasemengendosierung).
Über das Einlasssystem 3 ist der Brennstoffzelle 2 Luft zuführbar. Das Einlasssystem umfasst eine nachfolgend noch näher erläuterte Luftversorgungseinheit 14 zur Druckerhöhung und einen Wärmetauscher 15 zur Kühlung der zugeführten Luft.
Ein Regelsystem 19 ist über elektrische Leitungen 20 mit dem Brennstoffventil 7, dem Regelventil 32, dem zweiten Brennstoffventil 31 und dem elektrischen Antriebsmotor 17 verbunden. Das Regelsystem 19 ermöglicht es, das Brennstoffventil 7, das Regelventil 32, das zweite Brennstoffventil 31 sowie den elektrischen Antriebsmotor 17 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Antriebssystems und/oder des Kraftfahrzeugs zu regeln.
In 2 ist eine Luftversorgungseinheit 14 detaillierter dargestellt. Die Luftversorgungseinheit 14 ist als elektrischer Turbolader ausgeführt und umfasst einen Verdichter 16, von dem in 2 nur ein Verdichterrad 21 dargestellt ist, eine Turbine 27, von der in 2 nur ein Turbinenrad 33 gezeigt ist, sowie einen Antriebsmotor 17 mit einem Statur 22, einem Rotor 23 und einem Gehäuse 24. Der Verdichter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer innen liegenden Verdichterspirale und mit Radial-Axialdiffusoren ausgestaltet. Der Statur 22 des Antriebsmotors 17 ist in dem Gehäuse 24 fixiert und der Rotor 23 ist über eine Lagereinheit mit einem Hybridlager 25 in dem Gehäuse 24 beweglich gelagert. Rotor 23, Verdichterrad 21 und Turbinenrad 33 sind drehfest miteinander verbunden, so dass das Verdichterrad 21 über den aus Rotor 23, Statur 22 und Gehäuse 24 gebildeten Antriebsmotor 17 sowie über das Turbinenrad 33 antreibbar ist. In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagereinheit als Luftlager ausgeführt.
In der Turbine lässt sich die aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft entspannen. Der Turbine ist eine mechanische Arbeit entnehmbar, die wiederum zum Antrieb des Verdichters 16 über die Welle 18 dient. Die Turbine 27 ermöglicht eine Teilrückgewinnung der elektrisch aufgebrachten Verdichterleistung in einer Größenordnung von bis zu einem Viertel. Die Turbine 27 ist als variable Expansionsturbine ausgestaltet und weist ein variables Leitgitter-Element auf (in den Figuren nicht dargestellt). Dadurch kann eine Gegendruckklappe entfallen. Ohne einen engsten Leitungsquerschnitt in dem Leitgitter-Element oder in der Gegendruckklappe bestünde die Gefahr, dass der Verdichter im Verdichterkennfeld in der Nähe der Stopfgrenze betrieben wird, was sich nachteilig auf die Druckerhöhung und auf den Massendurchsatz auswirken würde. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Turbine als zweiflutige Turbine, insbesondere als Zwillingsstromturbine, ausgestaltet.
Die Luftversorgungseinheit 14 ist erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass der Rotationskennwert RoK:
mit den folgenden Größen belegt ist:

v_V: = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uV des Verdichterrads 21, gemessen in m/s;
v_T: = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uT des Turbinenrads 33, gemessen in m/s;
D_KR: = Drehzahlkennwert der Lagereinheit, gebildet aus dem Produkt einer Drehzahl des Rotors und eines mittleren Lagerdurchmessers Dm des ersten und des zweiten Kugellagers, gemessen in m/s, und
v_RV: = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uR des Rotors, gemessen in m/s,

In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind der Verdichter, die elektrische Antriebseinheit und gegebenenfalls die Turbine der Luftversorgungseinheit 14 derart ausgeführt, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich zwischen 0,05 und 2,0 beträgt. Zur Festlegung des Rotationskennwerts bei Stillstand der Luftversorgungseinheit 14 ist dabei eine Grenzwertbetrachtung durchzuführen. Der Rotationskennwert sollte insbesondere auch bei Minimalleistung und bei Maximalleistung der Luftversorgungseinheit und/oder der Brennstoffzelle in dem genannten Bereich liegen.
In 3 ist ein Auslegungsbereich der Luftversorgungseinheit 14 schematisch dargestellt. Der Verdichter, die Turbine und die elektrische Antriebseinheit der Luftversorgungseinheit sind dabei derart ausgelegt, dass die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads v_V, die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads v_T, der Drehzahlkennwert D_KR und die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors v_RV in jedem Betriebspunkt der Luftversorgungseinheit und/oder der Brennstoffzelle zwischen den jeweiligen Grenzwerten bei Maximalleistung und bei Minimalleistung liegen. Zwischen den die Maximalleistung und die Minimalleistung kennzeichnenden Kurven in 5 ist somit ein optimaler Auslegungsbereich für die Luftversorgungseinheit aufgespannt, in dem der Rotationskennwert Werte zwischen 0,05 und 2 einnimmt.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind im Auslasssystem der Brennstoffzelle Mittel zur Temperaturerhöhung der Luft vorgesehen, zum Beispiel in Form eines Nachbrennsystems zur Verbrennung eines weiteren Brennstoffanteils. Auf diese Weise wird die Turbine mit deutlich wärmerer Luft beaufschlagt, typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 1050°C. Gemäß 3 ist die Luftversorgungseinheit dabei bevorzugt derart ausgelegt, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich sowohl bei einem Betrieb ohne Nachbrennsystem als auch bei einem Betrieb mit Nachbrennsystem innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2 liegt. Die Werte für die Umfangsgeschwindigkeiten des Verdichterrads, des Turbinenrads und des Rotors sowie für den Drehzahlkennwert liegen dabei gemäß 3 innerhalb der durch die Maximalleistung und die Minimalleistung gegebenen Grenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007011681 A1 [0002]

Claims

Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter, eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters und eine Turbine umfasst, wobei der Verdichter ein Verdichterrad aufweist und wobei die elektrische Antriebseinheit ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor aufweist und wobei die Turbine ein Turbinenrad umfasst und wobei das Verdichterrad, der Rotor und das Turbinenrad drehfest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16), der Rotor (23), die Turbine (27) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt sind, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK:
mit v_V = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters; v_T = Geschwindigkeitskennwert der Turbine; D_KR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und v_RV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.
Luftversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters (v_V) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uV) des Verdichterrads (21) festgelegt ist.
Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert der Turbine (v_T) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads definiert ist.
Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit (D_KR) als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser (Dm) der Lagereinheit (25) festgelegt ist.
Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Rotors (v_RV) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uR) des Rotors (23) festgelegt ist.
Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 ≤ RoK ≤ 2 liegt.
Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 ≤ RoK ≤ 2 liegt.