DE102008044878A1 - Air supply unit for a fuel cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit (14) für eine Brennstoffzelle (2), die einen Verdichter (16) und eine elektrische Antriebseinheit (17) zum Antrieb des Verdichters (16) umfasst, wobei der Verdichter (16) ein erstes 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 das Verdichterrad (21) und der Rotor (23) drehfest miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß sind der Verdichter (16), der Rotor (23) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK: RoK = (nuV*DKR)/nuT*nuRV mit nunu = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s; nuT = 250 m/s; DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und nuRV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s, im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.The invention relates to an air supply unit (14) for a fuel cell (2) comprising a compressor (16) and an electric drive unit (17) for driving the compressor (16), the compressor (16) having a first compressor wheel (21) and wherein the electric drive unit (17) has a housing (24) and a rotor (23) rotatably mounted in the housing (24) by means of a bearing unit (25), and wherein the compressor wheel (21) and the rotor (23) are connected to one another in a rotationally fixed manner are. According to the invention, the compressor (16), the rotor (23) and the bearing unit (25) are designed in such a way that a rotational characteristic RoK: RoK = (nuV * DKR) / nuT * nuRV defined as follows is measured, ie speed characteristic value of the compressor m / s; nuT = 250 m / s; DKR = speed characteristic of the bearing unit, measured in m / s, and nuRV = speed characteristic of the rotor, measured in m / s, at the nominal point of the air supply unit (14) within a specified range.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter und eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf und die elektrische Antriebseinheit umfasst ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor Das Verdichterrad und der Rotor sind drehfest miteinander verbunden.The The invention relates to an air supply unit for a Fuel cell, a compressor and an electric drive unit includes for driving the compressor. The compressor has a compressor wheel and the electric drive unit comprises a housing and one rotatable in the housing by means of a bearing unit Rotor mounted The compressor wheel and the rotor are non-rotatably connected.

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.From the DE 10 2007 011 681 A1 an air supply unit for a fuel cell is known. The air supply unit comprises a turbocharger with a compressor and a turbine, which are arranged on a common shaft. Between the compressor and the turbine, an electric drive unit is arranged, so that the compressor is driven by both the turbine and the electric drive unit.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine besonders effiziente Luftversorgungseinheit der eingangs genannten Art für eine Brennstoffzelle bereitzustellen.A Object of the present invention is a particularly efficient air supply unit of the type mentioned for to provide a fuel cell.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Luftversorgungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß sind der Verdichter, der Rotor und die Lagereinheit derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert:

Figure 00010001
mit

vV
= Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s;
vT
= 250 m/s;
DKR
= Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und
vRV
= Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s,
im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit in einem festgelegten Bereich liegt. Der Nennpunkt der Luftversorgungseinheit ist dabei als der Betriebspunkt definiert, an dem die Luftversorgungseinheit eine Nennleistung, beispielsweise eine Maximalleistung, liefert. Durch die Verknüpfung von Geschwindigkeitskennwerten des Verdichters, des Rotors und der Lagereinheit lässt sich ein ausgewogener Kompromiss zwischen den Entwicklungszielgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit erzielen.The object is achieved by an air supply unit having the features of claim 1. According to the invention, the compressor, the rotor and the bearing unit are designed such that a rotational characteristic value defined as follows:
Figure 00010001
With
v V
= Speed characteristic of the compressor, measured in m / s;
v T
= 250 m / s;
D KR
= Speed characteristic of the bearing unit, measured in m / s, and
v RV
= Speed characteristic of the rotor, measured in m / s,
in the nominal point of the air supply unit is within a specified range. The nominal point of the air supply unit is defined as the operating point at which the air supply unit supplies a nominal power, for example a maximum power. By combining speed characteristics of the compressor, the rotor and the bearing unit, a balanced compromise can be achieved between the design objectives aerodynamic design of the compressor, centrifugal force of the rotor and operability and life requirements of the storage unit.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads festgelegt. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser der Lagereinheit definiert. In wiederum einer weiteren Ausgestaltung ist der Geschwindigkeitskennwert des Rotors als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors festgelegt. Die Geschwindigkeitskennwerte sind dabei in der Einheit m/s definiert.In An embodiment of the invention is the speed characteristic the compressor as the peripheral speed largest Diameter of the compressor wheel fixed. In a further embodiment is the speed characteristic of the storage unit as a product Speed and mean bearing diameter of the bearing unit defined. In yet another embodiment, the speed characteristic is of the rotor as the peripheral speed largest Diameter of the rotor set. The speed characteristics are defined in the unit m / s.

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 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, 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.In a further embodiment of the invention is the rotational characteristic at the nominal point of the air supply unit within a range from 0.05 to 2 inclusive. The parameters required to calculate the rotational characteristic are in a uniform unit, for example in m / s, determined so that the rotational index is a dimensionless size is. In a further embodiment of the invention, the rotational characteristic is throughout the operating range within a range of inclusive 0.05 up to and including 2. At standstill of the air supply unit If the rotation parameter were indefinite, it can be over a limit value analysis are determined. An air supply unit, which is designed according to the rotational characteristic is characterized through a balanced compromise between the development objectives Aerodynamic design of the compressor, centrifugal stress of the rotor and operability and life requirements the storage unit off. With the rotation index is a specialist beyond that, given an opportunity, Designs of air supply unit already in an early Stage of development regarding different development objectives to rate.

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 Merkmals kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.advantageous Embodiments of the invention are in the drawings illustrated and described below. Here are the mentioned above and to be explained below Features not only in the specified feature combination, but also usable in other combinations or in isolation, without to leave the scope of the present invention.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 ein Antriebssystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Luftversorgungseinheit und 1 a drive system with a fuel cell and an air supply unit according to the invention and

2 eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit. 2 an air supply unit according to the invention.

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.In 1 is a drive system 1 represented for a motor vehicle. The drive system 1 around holds a fuel cell 2 , the air via an intake system 3 can be fed. The oxygen contained in the air serves as an oxidizing agent for the fuel cell 2 , Via an exhaust system 4 is the air from the fuel cell 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.From a tank 5 is the fuel cell 2 also via a fuel supply line 6 and a fuel valve 7 a fuel in the form of hydrogen fed. Hydrogen and oxygen react in the fuel cell 2 with each other, wherein chemical energy is converted into electrical energy or an electric current is generated.

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.The one in the fuel cell 2 Electricity generated is via power lines 8th an electrical storage unit in the form of a rechargeable battery 9 fed. From the accumulator 9 can be an electric motor 10 dine, on a drive shaft 11 a torque can be removed for example for driving a motor vehicle, not shown.

Nach Durchströmen der Brennstoffzelle 2 ist die Luft über ein Auslasssystem 4 aus der Brennstoffzelle 2 ausleitbar. Das Auslasssystem 4 beinhaltet eine Gegendruckklappe 12, mittels derer ein Strömungswiderstand und damit ein Gegendruck in der Brennstoffzelle 2 regelbar ist. Außerdem umfasst das Auslasssystem 4 eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung 13, die beispielsweise als Entwässerungseinrichtung ausgestaltet ist.After flowing through the fuel cell 2 is the air through an exhaust system 4 from the fuel cell 2 ausleitbar. The exhaust system 4 includes a back pressure flap 12 , By means of which a flow resistance and thus a back pressure in the fuel cell 2 is controllable. In addition, the exhaust system includes 4 a device for exhaust aftertreatment 13 , which is designed for example as a drainage device.

Über das Einlasssystem 3 ist der Brennstoffzelle 2 Luft zuführbar. Das Einlasssystem umfasst eine Luftversorgungseinheit 14 zur Druckerhöhung und einen Wärmetauscher 15 zur Kühlung der zugeführten Luft.About the inlet system 3 is the fuel cell 2 Air can be supplied. The intake system comprises an air supply unit 14 for pressure increase and a heat exchanger 15 for cooling the supplied air.

Die Luftversorgungseinheit 14 ist elektrisch antreibbar ausgeführt und umfasst einen Verdichter 16, der mit einer elektrischen Antriebseinheit in Form eines Antriebsmotors 17 über eine Welle 18 verbunden ist. Die Luftversorgungseinheit 14 wird nachfolgend anhand von 2 noch näher erläutert.The air supply unit 14 is electrically driven and includes a compressor 16 provided with an electric drive unit in the form of a drive motor 17 over a wave 18 connected is. The air supply unit 14 is described below by means of 2 explained in more detail.

Ein Regelsystem 19 ist über elektrische Leitungen 20 mit dem Brennstoffventil 7, der Gegendruckklappe 12 und dem elektrischen Antriebsmotor 17 verbunden. Das Regelsystem 19 ermöglicht es, das Brennstoffventil 7, die Gegendruckklappe 12 sowie den elektrischen Antriebsmotor 17 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Antriebssystems und/oder des Kraftfahrzeugs zu regeln.A control system 19 is via electrical lines 20 with the fuel valve 7 , the back flap 12 and the electric drive motor 17 connected. The control system 19 allows the fuel valve 7 , the back pressure flap 12 and the electric drive motor 17 depending on operating parameters of the drive system and / or the motor vehicle to regulate.

In 2 ist eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit 14 detaillierter dargestellt. Die Luftversorgungseinheit 14 umfasst einen Verdichter 16, von dem in 2 nur ein Verdichterrad 21 dargestellt ist, sowie einen Antriebsmotor 17 mit einem Stator 22, einem Rotor 23 und einem Gehäuse 24. Der Stator 22 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 und Verdichterrad 21 sind drehfest miteinander verbunden, so dass das Verdichterrad 21 über den aus Rotor 23, Stator 22 und Gehäuse 24 gebildeten Antriebsmotor 17 antreibbar ist. Der Verdichter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer innen liegenden Verdichterspirale und mit Radial-Axialdiffusoren ausgestaltet.In 2 is an air supply unit according to the invention 14 shown in more detail. The air supply unit 14 includes a compressor 16 of which in 2 only one compressor wheel 21 is shown, and a drive motor 17 with a stator 22 a rotor 23 and a housing 24 , The stator 22 is in the case 24 fixed and the rotor 23 is about a storage unit with a hybrid storage 25 in the case 24 movably mounted. rotor 23 and compressor wheel 21 are rotatably connected to each other, so that the compressor wheel 21 over the rotor 23 , Stator 22 and housing 24 formed drive motor 17 is drivable. The compressor 16 is designed in this embodiment with an internal compressor spiral and with radial-axial diffusers.

In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagereinheit als Luftlager ausgeführt.In a modified, not shown embodiment the storage unit is designed as an air bearing.

Die Luftversorgungseinheit 14 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK:

Figure 00040001
mit den folgenden Größen belegt ist:

vV
= Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uV des Verdichterrads 21, gemessen in m/s;
vT
= 250 m/s;
DKR
= 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
vRV
= Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uR des Rotors, gemessen in m/s,
und im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit in einem Bereich zwischen einschließlich 0,05 und einschließlich 2,0 liegt. In diesem Fall ist ein optimaler Kompromiss zwischen den Auslegungsgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters 16, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors 23 und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit 25 gegeben.The air supply unit 14 is designed according to the embodiment such that a rotational characteristic RoK defined as follows:
Figure 00040001
is occupied with the following sizes:
v V
= Peripheral speed at a largest circumference uV of the compressor wheel 21 , measured in m / s;
v T
= 250 m / s;
D KR
= Speed characteristic of the bearing unit, formed from the product of a rotational speed of the rotor and a mean bearing diameter Dm of the first and the second ball bearing, measured in m / s, and
v RV
Circumferential speed at a largest circumference uR of the rotor, measured in m / s,
and in the nominal point of the air supply unit is in a range between 0.05 and 2.0 inclusive. In this case, an optimal compromise between the design sizes aerodynamic design of the compressor 16 , Centrifugal force of the rotor 23 and functionality and life requirements of the storage unit 25 given.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (6)

Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter und eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters 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 das Verdichterrad und der Rotor drehfest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16), der Rotor (23) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt sind, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK:
Figure 00060001
mit vV = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s; vT = 250 m/s; DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und vRV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s, im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.An air supply unit for a fuel cell comprising a compressor and an electric drive unit for driving the compressor, the compressor having a compressor wheel and wherein the electric drive unit comprises a housing and a rotatably mounted in the housing by means of a bearing unit rotor and wherein the compressor wheel and the rotor rotatably connected to each other, characterized in that the compressor ( 16 ), the rotor ( 23 ) and the storage unit ( 25 ) are designed such that a rotational characteristic RoK defined as follows:
Figure 00060001
with v V = speed characteristic of the compressor, measured in m / s; v T = 250 m / s; D KR = speed characteristic of the bearing unit, measured in m / s, and v RV = speed characteristic of the rotor, measured in m / s, at the nominal point of the air supply unit ( 14 ) is within a specified range. Luftversorgungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters (vV) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uV) des Verdichterrads (21) festgelegt ist.Air supply unit according to claim 1, characterized in that the speed characteristic value of the compressor (v V ) as a peripheral speed at the largest diameter (uV) of the compressor wheel ( 21 ). Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit (DKR) als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser (Dm) der Lagereinheit (25) festgelegt ist.Air supply unit according to one of claims 1 or 2, characterized in that the speed characteristic value of the bearing unit (D KR ) as a product of rotational speed and mean bearing diameter (Dm) of the bearing unit ( 25 ). Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Rotors (vRV) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uR) des Rotors (23) festgelegt ist.Air supply unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the speed characteristic value of the rotor (v RV ) as peripheral speed at the largest diameter (uR) of the rotor ( 23 ). Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 ≤ RoK ≤ 2 liegt.Air supply unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rotational characteristic value in the nominal point of the air supply unit ( 14 ) is within a range of 0.05 ≦ RoK ≦ 2. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 ≤ RoK ≤ 2 liegt.Air supply unit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rotational characteristic value in the entire operating range of the air supply unit ( 14 ) is within a range of 0.05 ≦ RoK ≦ 2.
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