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Die Erfindung betrifft eine Luftfördereinrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Luftfördereinrichtung.
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Luftfördereinrichtungen zur Bereitstellung von Luft als Sauerstofflieferant beispielsweise für einen Verbrennungsmotor oder auch für eine Brennstoffzelle sind aus dem Stand der Technik bekannt. Für das Beispiel eines Verbrennungsmotors kann dabei insbesondere auf die deutsche Patentschrift
DE 100 01 063 B4 verwiesen werden. Dort wird ein Kompressor beschrieben, welcher Luft für die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine liefert. Der Kompressor selbst kann dabei entweder mechanisch über die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, über eine elektrische Maschine oder über einen Abgasturbolader angetrieben werden. Der wesentliche Gedanke bei dem Kompressor aus der genannten deutschen Patentschrift ist es dabei, dass ein von einem Kühlmittel durchströmter Ladeluftkühler zusammen mit dem Kompressor zu einer Baueinheit integriert ausgebildet ist. Hierdurch entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, welcher insbesondere auf zusätzliche Leitungselemente zwischen dem Kompressor und dem Ladeluftkühler verzichten kann, da der Ladeluftkühler zusammen mit dem Kompressor zu einer Baueinheit, vorzugsweise in die Auslassleitung des Kompressor, integriert ausgebildet ist.
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Zu der Thematik ist außerdem die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2007 013 651 A1 bekannt. Hierin ist im Wesentlichen eine Kombination aus Ladeluftkühler und Abgasturbolader mit Turbine und Strömungsverdichter zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit verdichteter Zuluft beschrieben.
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Letztlich ist in der
DE 10 2007 038 880 A1 außerdem eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, welche insbesondere im Bereich der Luftversorgung für eine aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzte Brennstoffzelle eine Integration der Einzelkomponenten aufweist, wobei hier insbesondere Ladeluftkühler und Befeuchter bzw. der Brennstoffzellenstapel zu einer Baueinheit integriert ausgebildet sind. Der Vorteil liegt dabei in der Vermeidung von zusätzlichen Leitungslängen innerhalb des Brennstoffzellensystems, was einerseits Bauraum und anderseits aufwändige und hinsichtlich der Dichtheit eventuell kritische Leitungsverbindungen einspart.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Luftfördereinrichtung und ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Luftfördereinrichtung anzugeben, welche einen sehr kompakten Aufbau mit idealer Kühlung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 9 die Aufgabe, wobei sich eine vorteilhafte Weiterbildung des Brennstoffzellensystems aus dem abhängigen Unteranspruch ergibt.
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Die Luftfördereinrichtung verfügt über eine elektrische Maschine, welche einen Verdichter antreibt. Wie auch im Stand der Technik ist dabei ein Ladeluftkühler in Strömungsrichtung der Luft nach dem Verdichter angeordnet, wobei der Ladeluftkühler durch ein Kühlmedium in einem Kühlkreislauf in an sich bekannter Art und Weise gekühlt ist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die elektrische Maschine durch dasselbe Kühlmedium wie der Ladeluftkühler im selben Kühlkreislauf gekühlt ist. Der Kühlkreislauf des Ladeluftkühlers wird also nicht nur für den Ladeluftkühler selbst, sondern auch zur Kühlung der elektrischen Maschine eingesetzt. Hierdurch erspart man sich Leitungslängen im Bereich des Kühlkreislaufs und kann über ein- und dasselbe Kühlmedium einfach und effizient sowohl die elektrische Maschine als auch die verdichtete Luft kühlen.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung ist es dabei vorgesehen, dass die elektrische Maschine und der Ladeluftkühler in dem Kühlkreislauf seriell hintereinander angeordnet sind. Im Prinzip wäre selbstverständlich auch eine parallele Anordnung denkbar und möglich. Die serielle Anordnung, insbesondere in der Reihenfolge, dass zuerst die elektrische Maschine und dann der Ladeluftkühler von dem Kühlmedium durchströmt wird, hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er auf zusätzliche Leitungslängen verzichten kann und dass eine einfache und effiziente Kühlung sowohl der elektrischen Maschine als auch der verdichteten Luft in dem Ladeluftkühler möglich wird.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung sind der Verdichter und die elektrische Maschine in Wirkverbindung mit einer Abluftturbine ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung zusammen mit einer Abluftturbine ist insbesondere beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen von besonderem Vorteil. Der Aufbau wird dann typischerweise so gestaltet, dass Verdichter und Abluftturbine auf einer einzigen Welle zusammen mit der elektrischen Maschine angeordnet sind. Ein solcher Aufbau wird allgemein auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Er hat den entscheidenden Vorteil, dass er über die Turbine thermische Energie und Druckenergie in der Abluft des Brennstoffzellensystems nutzt und damit unmittelbar den Verdichter antreibt. Die zusätzliche zum Antrieb des Verdichters typischerweise benötigte Leistung wird durch die elektrische Maschine bereitgestellt. In bestimmten Betriebssituationen, insbesondere wenn keine oder nur eine minimale Menge an Frischluft benötigt wird, kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Abluftturbine mehr Leistung anfällt, als zum Antrieb des Verdichters benötigt wird. In diesem speziellen Fall kann die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden, um so Restenergie aus dem System zurückzugewinnen und in Form von elektrischer Energie für weitere Verbraucher, eine Energiespeichereinrichtung oder dergleichen bereitzustellen.
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In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der Verdichter und der Ladeluftkühler eine Baueinheit bilden. Der Verdichter und der Ladeluftkühler können insbesondere eine Baueinheit bilden oder können vorzugsweise sogar gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon in ein gemeinsames Gehäuse, insbesondere das Gehäuse des Verdichters, integriert ausgebildet sein. Eine solche Integration erlaubt in vorteilhafter Weise den Verzicht auf Leitungselemente zwischen dem Ladeluftkühler und dem Verdichter. Diese Leitungselemente müssten beispielsweise bei einem Brennstoffzellensystem aus einem speziellen Material hergestellt werden, was einerseits die vergleichsweise hohe Temperatur aushält, und welches andererseits unerwünschte Einträge beispielsweise von Metallionen in den Bereich der Brennstoffzelle sicher und zuverlässig verhindert. Ein solches Material ist typischerweise ein vergleichsweise teures temperaturbeständiges Elastomer. Dieses kann ebenso wie die benötigten Verbindungselemente und die Leitungslänge und damit der von der Leitungslänge benötigte Bauraum bei der Integration von Verdichter und Ladeluftkühler in eine einzige Baueinheit eingespart werden. Hierdurch entsteht ein enormer Vorteil hinsichtlich des benötigten Bauvolumens und der Kosten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung kann das Kühlmedium ein flüssiges Kühlmedium sein. Ein solches flüssiges Kühlmedium ist aufgrund der hohen Wärmekapazität in der Lage, mit einem vergleichsweise geringen Volumenstrom, eine sehr gute Kühlung der verdichteten Zuluft, beispielsweise zu einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten. Mit einem moderaten Querschnitt der für das Kühlmedium vorgesehenen Leitungen und einem vergleichsweise kleinen Volumenstrom kann die Abkühlung der Zuluft auf ein Niveau erzielt werden, welches hinsichtlich der nachfolgenden Komponenten, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, unkritisch ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem, wie bereits erwähnt, durch ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung gelöst. In dem Brennstoffzellensystem ist es dabei vorgesehen, dass die Luftfördereinrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Luft als Sauerstofflieferant vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems kann die Luftfördereinrichtung dabei in Strömungsrichtung der geförderten Luft vor einem Befeuchter angeordnet sein. Ein solcher Befeuchter, welcher zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zugeführten Zuluft dient, kann unmittelbar an die Luftfördereinrichtung, welche Verdichter und integrierten Ladeluftkühler aufweist, angeschlossen sein. Hierdurch wird ein sehr einfacher und kompakter Aufbau möglich, welcher eine ausreichende Abkühlung der verdichteten Zuluft, bevor diese in den Befeuchter einströmt, gewährleistet, sodass eine gute Befeuchtung erfolgen kann. Während der Befeuchtung wird die Luft weiter abgekühlt, sodass in der Brennstoffzelle eine entsprechend kühle und feuchte Luft vorliegt, welche, ohne das Protonenaustauschmembranen in der Brennstoffzelle geschädigt werden, einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung sowie des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeuteter Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem;
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2 eine Luftfördereinrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten möglichen Ausführungsform;
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3 eine Luftfördereinrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform; und
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4 eine Luftfördereinrichtung gemäß der Erfindung in einer dritten möglichen Ausführungsform.
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Die Luftfördereinrichtung gemäß der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Brennstoffzellensystems beschrieben, ohne dass diese auf eine derartige Anwendung eingeschränkt sein muss.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem Fahrzeug installiert sein soll. Dieses Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 aufweist
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In an sich bekannter Art und Weise und dabei rein beispielhaft zu verstehen, befindet sich zur Wasserstoffversorgung des Anodenraums 3 ein Druckgasspeicher 6, welcher über einen Druckminderer und ein Druckregelventil 6 mit dem Anodenraum 5 verbunden ist. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt vom Anodenausgang über eine Rezirkulationsleitung 7 und ein Rezirkulationsgebläse 8 zurück in den Bereich des Anodeneingangs und wird vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 3 wieder zugeführt. Auch dieser Aufbau einer an sich bekannten Anodenrezirkulation ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Er kann außerdem ein Ablassventil 9 und eine Ablassleitung aufweisen, um von Zeit zu Zeit Gas und/oder Wasser, welches sich mit der Zeit in dem Kreislauf um den Anodenraum 3 angereichert hat, abzulassen.
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Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Luftfördereinrichtung 10 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Diese Luftfördereinrichtung 10 kann beispielsweise einen Strömungsverdichter 101, einen Schraubenverdichter, ein Rootsgebläse oder dergleichen aufweisen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 umfasst sie den Strömungsverdichter 101, welcher zusammen mit einer später noch näher beschriebenen Turbine 11 und einer elektrischen Maschine 12 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC bezeichnet. Der Strömungsverdichter 101 kann dabei von der elektrischen Maschine 12 angetrieben werden. Im Bereich der Turbine 11 werden Abgase aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 entspannt, sodass die in ihnen enthaltene Druckenergie und die in ihnen gegebenenfalls enthaltene thermische Energie im Bereich der Turbine 11 genutzt und in mechanische Leistung umgewandelt wird. Diese mechanische Leistung im Bereich der Turbine 11 unterstützt den Antrieb des Strömungsverdichters 101 der Luftfördereinrichtung 10. Falls es zu einem Leistungsüberschuss im Bereich der Turbine 11 kommt und diese Leistung von dem Verdichter 101 nicht gänzlich benötigt wird, dann kann über die elektrische Maschine 12 diese Überschussleistung auch in elektrische Leistung umgewandelt werden, indem die elektrische Maschine 12 generatorisch betrieben wird.
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Die über einen Luftfilter 13 von der Luftfördereinrichtung 10 angesaugte Luft gelangt dann in einen Ladeluftkühler 102 als Teil der Luftfördereinrichtung 10, welcher mit einem hier in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kühlkreislauf verbunden ist. Danach kann die Luft über einen Befeuchter 14 dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit dem in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwasser beladene Abluft aus dem Kathodenraum 4 gelangt dann wiederum in den Befeuchter 14 und kann dort einen Teil der in ihr enthaltenen Feuchte an die zu dem Kathodenraum 4 strömende Zuluft abgeben. Danach gelangt die Abluft über die Turbine 11 an die Umgebung.
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Der Unterschied des beschriebenen Brennstoffzellensystems 1 gegenüber Brennstoffzellensystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, liegt dabei in der Luftfördereinrichtung 10, welche als Kombination des Verdichters 101 und des Ladeluftkühlers 102 ausgebildet ist. Dies ist in der Darstellung der 1 nur prinzipmäßig angedeutet. Verschiedene denkbare Ausführungen dieser erfindungsgemäßen Luftfördereinrichtung 10 befinden sich in den nachfolgenden Figuren.
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Eine erste mögliche Ausführungsform ist in 2 zu erkennen. Der Verdichter 101 als Teil eines elektrischen Turboladers mit der elektrischen Maschine 12 und der Abgasturbine 11 ist dabei getrennt von dem Ladeluftkühler 102 ausgebildet. Dieser ist in Strömungsrichtung, jedoch unmittelbar hinter dem Verdichter 101 angeordnet. Der Ladeluftkühler 102 und die elektrische Maschine 12, welche den größten Teil der für den Verdichter 101 benötigten Antriebsleistung liefert, sind in Serie hintereinander von demselben Kühlmedium in einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kühlkreislauf durchströmt. Über eine Kühlmedienzuleitung 15 strömt das Kühlmedium aus dem Kühlkreislauf zuerst durch die elektrische Maschine 12 und kühlt diese bei Bedarf entsprechend, bevor sie über ein mit 16 bezeichnetes Leitungselement zu dem Ladeluftkühler 102 strömt und dort die nach dem Verdichter 101 erhitzte Zuluft zu der Brennstoffzelle 2 entsprechend abkühlt. Über eine Leitung 17 strömt das Kühlmedium dann zurück in den restlichen Teil des hier nicht dargestellten Kühlkreislaufs. Die elektrische Maschine 12 und der Ladeluftkühler 102 werden von demselben Kühlmedium in Serie nacheinander durchströmt, wobei zuerst die elektrische Maschine 12 durchströmt wird, in welcher das Kühlmedium nur vergleichsweise leicht erwärmt wird, während es danach in dem Ladeluftkühler 102 eine typischerweise sehr viel größere Wärmemenge aus der erhitzten verdichteten Abluft aufnimmt. Die Leitungslängen zwischen dem Verdichter 101 und dem Ladeluftkühler 102 sind dabei typischerweise sehr kurz, sodass hier auf aufwändige, teure und temperaturbeständige Leitungen, welche bei dem Brennstoffzellensystem 1 typischerweise aus hochtemperaturbeständigen Elastomeren hergestellt sein müssen, weitgehend verzichtet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform in der Darstellung der 3 kann auf diese Leitungslängen gänzlich verzichtet werden. Der Ladeluftkühler 102 und der Verdichter 101 sind dabei in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse 18 angeordnet, welches in der prinzipmäßigen Darstellung lediglich angedeutet ist. Es kann jedoch so ausgebildet sein, dass der Ladeluftkühler unmittelbar in den Abströmkanal des Verdichters 101 integriert ausgeführt ist, so wie es beispielsweise vom eingangs genannten Stand der Technik her bekannt ist. Auch hier wird die elektrische Maschine 12 und der Ladeluftkühler 102 über ein gemeinsames Kühlmedium, welches die Leitungen 15, 16, 17 durchströmt, in Serie zueinander gekühlt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel analog zur Darstellung in 2 ist in der Darstellung der 4 zu erkennen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die elektrische Maschine 12 und der Ladeluftkühler 102 parallel von Kühlmedium durchströmt werden, wobei das Kühlmedium über das Leitungselement 15 zu der elektrischen Maschine 12 strömt und über ein Leitungselement 19 zurück in den Kühlkreislauf strömt. Parallel dazu strömt das Kühlmedium über ein Leitungselement 20 in den Ladeluftkühler 102 und über das Leitungselement 17 wieder zurück in den Kühlkreislauf. Dieser Aufbau ist ebenso bei der Ausführungsform mit einem gemeinsamen Gehäuse 18 analog zur Darstellung in 3 denkbar. Er ermöglicht die parallele Kühlung von Ladeluftkühler 102 und elektrischer Maschine 12 in dem Kühlkreislauf, sodass beispielsweise die für die Durchströmung genutzten Volumina in jedem der parallelen Zweige entsprechend angepasst werden können.
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Alles in allem ist der Aufbau außerordentlich einfach und kostengünstig zu realisieren und erlaubt durch die Integration des Ladeluftkühlers 102 und des Verdichters 101 bzw. des Ladeluftkühlers 102 und des elektrischen Turboladers mit gemeinsamer Kühlung für die elektrische Maschine 12 und den Ladeluftkühler 102 einen außerordentlich kompakten Aufbau.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10001063 B4 [0002]
- DE 102007013651 A1 [0003]
- DE 102007038880 A1 [0004]
