DE102012207661A1

DE102012207661A1 - Wassergeschmiertes Gebläse für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102012207661A1
Application number: DE201210207661
Authority: DE
Inventors: Johann Schnagl; Hermann Sebastian Rottengruber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Es wird eine Wellenanordnung für ein Gebläse, insbesondere für ein Brennstoffzellengebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners, mit einer drehbar gelagerten Gebläsewelle und mindestens einer Lageranordnung zur drehbaren Lagerung der Gebläsewelle beschrieben, wobei die mindestens eine Lageranordnung eine Wasserschmierung umfasst und mindestens ein Lagerelement der Lageranordnung zumindest abschnittsweise mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet ist. Außerdem wird ein Gebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners in eine Brennstoffzelle mit einer entsprechend ausgeführten wassergeschmierten Wellenanordnung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung für ein Gebläse, insbesondere für ein Brennstoffzellengebläse, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Gebläse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Für den Betrieb von Brennstoffzellen ist in der Regel eine kontinuierliche Zuführung der Reaktionspartner der chemischen Prozesse erforderlich. Diese werden in flüssigem oder gasförmigem Aggregatszustand der Anodenseite bzw. der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt. Besonders häufig eingesetzte Reaktionspartner sind beispielsweise Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle und Sauerstoff bzw. Luft auf der Kathodenseite.
Gasförmige Reaktionspartner werden mittels Gebläsen der Brennstoffzellenmembran zugeführen und auf diese Weise der kontinuierlich ablaufende Brennstoffzellenprozess in Gang gehalten.
Die verwendeten Gebläse (im Folgenden auch als „Brennstoffzellengebläse” bezeichnet) umfassen jeweils eine drehbar gelagerte Gebläsewelle, auf der ein Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten eines der gasförmigen Reaktionspartner angeordnet ist. Bekannte Brennstoffzellengebläse sind hierzu meist als Radialverdichter ausgestaltet.
Die Gebläsewelle des Gebläses wird mit einem Schmierstoff, wie beispielsweise einem Schmieröl, geschmiert. Als Lager zur drehbaren Lagerung der Gebläsewelle finden meist Gleitlager, in speziellen Anwendungsfällen auch Wälzlager, Anwendung.
Hierbei besteht der Nachteil, dass der zur Schmierung der Gebläsewelle genutzte Schmierstoff, insbesondere das Öl, aus dem Lager in den angesaugten Gasstrom gelangen kann, da die geschmierten Lager funktionsbedingt nicht absolut dicht ausgebildet werden können.
Dieser Eintrag des Schmierstoffs kann zu einer Verschmutzung der in Strömungsrichtung nachgelagerten Brennstoffzelle, im speziellen einer Verschmutzung der Brennstoffzellenmembran führen, die eine Herabsetzung des erzielbaren Brennstoffzellenwirkungsgrades oder sogar eine Schädigung der Brennstoffzelle zur Folge hat.
Es ist bekannt, Verdichter mit einer Wasserschmierung für die Lagerung der Verdichterwelle zu versehen. So beschreibt die EP 1 321 680 A2 beispielsweise ein Strömungsmaschinen-Aggregat bzw. einen Gaskompressor mit einer Welle, die mittels einer Lagerbaugruppe mit Gleitlagern abgestützt und mit einer Kühlflüssigkeitsschmierung, insbesondere Wasser als Kühl- und Schmiermittel, ausgerüstet ist.
Die hierbei eingesetzten Gleitlager werden also mittels Wasser als Schmiermittel geschmiert, so dass beim Rotieren der Gebläse- bzw. Verdichterwelle Wasser als Schmierfilm zwischen eine Gleitfläche des Gleitlagers und eine korrespondierende Oberfläche der Gebläsewelle getragen wird. Ein Zusammenhang bei derartigen „hydrodynamische Gleitlagern” zwischen einer Relativgeschwindigkeit der beiden Oberflächen zueinander und der resultierenden Reibkraft ist beispielsweise in der sogenannten „Stribeck-Kurve” dargestellt.
Vereinfacht beschrieben lässt sich die Stribeck-Kurve in vier Bereiche unterteilen: den Haftreibungs-, den Grenzreibungs-, den Mischreibungs- sowie den Flüssigkeitsreibungsbereich.
Findet keine Relativbewegung der Welle gegenüber dem Gleitlager statt, so herrscht die sogenannte Haftreibung zwischen den beiden Oberflächen (Haftreibungsbereich). Stellt sich eine langsame Relativbewegung ein, so lösen sich zunächst die Kontaktstellen (Grenzreibungsbereich), bis die Relativbewegung in Gang kommt. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt eine Reibung mit der Geschwindigkeit innerhalb des Mischreibungsbereichs zunächst deutlich ab. Nach Ausbildung eines vollständigen Schmierfilms steigt die Reibung im sogenannten „Flüssigkeitsreibungsbereich” mit weiter zunehmender Geschwindigkeit wieder an.
Insbesondere innerhalb des Grenzreibungs- und des Mischreibungsbereichs entsteht ein wesentlicher Anteil der Verschleißerscheinungen an den jeweiligen Bauteilen, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Gebläses oder zumindest zu einer Reduzierung einer Effizienz des Gebläses führen. Dies hat wiederum zur Folge, dass der jeweilige Reaktionspartner nicht kontinuierlich zugeführt werden kann und die Brennstoffzelle somit in eingeschränktem Maße betrieben wird oder sogar vollständig ausfällt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verschmutzung des angesaugten bzw. zuzuführenden Reaktionspartners zu verhindern und gleichzeitig einen Verschleiß des Gebläses zu reduzieren sowie einen noch effizienteren Betrieb des Gebläses zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Wellenanordnung für ein Gebläse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Gebläse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Demnach wird eine Wellenanordnung für ein Gebläse, insbesondere für ein Brennstoffzellengebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners, beschrieben, mit

– einer drehbar gelagerten Gebläsewelle und
– mindestens einer Lageranordnung zur drehbaren Lagerung der Gebläsewelle, wobei die mindestens eine Lageranordnung eine Wasserschmierung umfasst, und

Dies bedeutet, dass die Gebläsewelle in einer oder mehreren Lageranordnungen drehbar gelagert ist, die eine Wasserschmierung zum Schmieren umfassen. Die Wasserschmierung kann beispielsweise mit einem Wasserkreislauf der Brennstoffzelle zum Austausch von Wasser bzw. einem wasserbasierten Schmierstoff gekoppelt sein, so dass das Wasser bzw. des Wasserkreislaufs zumindest teilweise für die Wasserschmierung eingesetzt werden kann. Alternativ kann ein separater Kreislauf für den zur Wasserschmierung vorgesehenen Wasserbasierten Schmierstoff bereitgestellt sein.
Als Schmierstoffe für die Wasserschmierung können insbesondere wasserbasierte Schmierstoffe zum Einsatz kommen, wie beispielsweise destilliertes Wasser, Kühlwasser und/oder andere wasserbasierte Lösungen mit geeigneten Zusätzen, insbesondere mit geeigneten Kältemittel- und/oder Frostschutzmittelzusätzen.
Es ist somit möglich, die Lageranordnung der Gebläsewelle mit Wasserbasiertem Schmierstoff anstelle eines Öls zu schmieren, so dass Dichtigkeitsprobleme verringert werden. Selbst wenn ein Teil des wasserbasierten Schmierstoffs aus der Lageranordnung in den angesaugten Gasstrom des gasförmigen Reaktionspartners eintreten sollte, so wird – im Gegensatz zu einer Ölschmierung – eine Verunreinigung der Brennstoffzelle aufgrund der Unschädlichkeit des Wasserbasierten Schmierstoffs verhindert. Zusätzlich bewirkt die Wasserschmierung eine zusätzliche Kühlung der Gebläsewelle bzw. des gesamten Gebläses.
Die vorgesehene zumindest abschnittsweise amorphe Kohlenstoffbeschichtung des mindestens einen Lagerelements der Lageranordnung zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Reibwert aus und ist vorzugsweise in jenen Abschnitten des mindestens einen Lagerelements angeordnet, die bei der Drehung der Gebläsewelle mit einem anderen Lagerelement der Lageranordnung in Kontakt stehen und eine Relativbewegung zu diesem ausführen, also insbesondere die zueinander relativbeweglichen Gleitflächen oder Laufflächen der Lagerelemente. Diese sind vorzugsweise mit der genannten Beschichtung beschichtet bzw. die Beschichtung bildet wiederum die entsprechende Fläche. Mit anderen Worten sind vorzugsweise jene Abschnitte beschichtet, die im Betrieb mit einer Reibkraft aufgrund der Drehbewegung der Gebläsewelle beaufschlagt sind. Auf diese Weise kann eine Reibung zwischen diesen beiden Lagerelementen herabgesetzt werden.
Die Verwendung der amorphen Kohlenstoffbeschichtung in Verbindung mit der Wasserschmierung wirkt sich in vorteilhafter Weise auf alle Bereiche der voranstehend beschriebenen „Stribeck-Kurve” aus. Es wird sowohl eine Haftreibung gegenüber anderen Beschichtungen der Lagerelemente, wie beispielsweise Keramik mit polykristalliner Gitterstruktur, sowie eine Mischreibung des Lagerelements weiter reduziert. Bereits bei fehlender bzw. geringer Schmierwirkung der Wasserschmierung (also bei geringer Drehzahl der Gebläsewelle) kann somit eine Reibung und ein hiermit verbundener Kraftaufwand zur Überwindung der zugehörigen Reibkraft deutlich herabgesetzt werden. Die Folge ist ein erheblich reduzierter Verschleiß der Lagerelemente bzw. der gesamten Lageranordnung. Insbesondere bei Gebläsen mit regelmäßigem Stillstand der Gebläsewelle ist dies von großem Vorteil.
Zusätzlich kann ebenfalls der Flüssigkeitsreibungsbereich durch die vorgeschlagene Kombination positiv beeinflusst werden. So fallen Scherverluste, welche die dominierenden Verlustanteile in diesem Bereich darstellen, aufgrund der vergleichsweise geringen Viskosität des wasserbasierten Schmierstoffs der Wasserschmierung gegenüber zähflüssigem Öl deutlich geringer aus und erlauben somit auch für höhere Drehzahlen der Gebläsewelle einen reibungsverlustärmeren und somit effizienteren Betrieb.
Neben verbesserten Reibeigenschaften, bietet die Kombination der Wasserschmierung und der beschriebenen Beschichtung darüber hinaus den Vorteil besonders vorteilhafter Notlaufeigenschaften für die Gebläsewelle. Sollte in einem Notfall die Wasserschmierung ausfallen, so sorgt die amorphe Kohlenstoffbeschichtung, wie beschrieben, für einen möglichst geringen Reibwert.
Vorzugsweise ist die amorphe Kohlenstoffbeschichtung eine Diamond-like-Carbon-Beschichtung (kurz: DLC-Beschichtung). Die DLC-Beschichtung zeichnet sich unter anderem durch ihre amorphe Molekularstruktur und einen hiermit verbundenen besonders geringen Reibwert gegenüber anderen bekannten Lagerbeschichtungen aus.
Des Weiteren kann die mindestens eine Lageranordnung eine Radiallageranordnung umfassen. Die Lageranordnung ist in diesem Fall vorzugsweise als ein oder als mehrere Radiallager ausgeführt, die zur Lagerung der Gebläsewelle ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lageranordnung ein Gleitlager zur gleitgelagerten Lagerung der Gebläsewelle, wobei ein erstes Lagerelement eine erste Gleitfläche des Gleitlagers und ein zweites Lagerelement eine der Gebläsewelle drehfest zugeordnete zweite Gleitfläche der Lageranordnung bildet. Dies ist derart zu verstehen, dass im Falle einer Beschichtung eines Lagerelements die zugehörige Gleitfläche die Beschichtung aufweist.
In Verbindung mit der Wasserschmierung wird also ein sogenanntes hydrodynamisches Gleitlager gebildet, bei dem eine der beiden Gleitflächen gegenüber der anderen Gleitfläche relativbeweglich drehbar ist. Zwischen beiden Gleitflächen bildet sich bei zunehmender Drehzahl der Gebläsewelle der Wasserschmierfilm aus. Hierzu ist die zweite Gleitfläche drehfest mit der Gebläsewelle verbunden, wohingegen die erste Gleitfläche relativ zu der drehenden Gebläsewelle und der zweiten Gleitfläche stationär angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die zweite Gleitfläche einstückig mit der Gebläsewelle ausgebildet. Beispielsweise ist die Gleitfläche auf der Gebläsewelle aufgebracht, so dass die Gebläsewelle zusätzlich das zweite Lagerelement bildet.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform umfasst die Lageranordnung ein Wälzlager mit den folgenden Lagerelementen: einem Außenring und einem relativ zu dem Außenring drehbaren Innenring sowie einer zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Anzahl an Wälzkörpern. Hierbei sind die Lagerelemente derart angeordnet, dass der Außenring auf den Wälzkörpern und diese wiederum auf dem Innenring abrollbar angeordnet sind. Hierzu stellen der Außenring und/oder der Innenring jeweils eine Lauffläche bereit. Beispielsweise können der Außenring bzw. der Innenring und/oder mindestens einer der Wälzkörper mit der amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet sein. Beispielsweise ist der Innenring drehfest mit der Gebläsewelle verbunden, so dass eine relative Drehbewegung zu dem stationär angeordneten Außenring erzielt werden kann.
Vorzugsweise weist die amorphe Kohlenstoffschicht eine Härte von 1000 bis 7000 HV (Vickers Härte) auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die amorphe Kohlenstoffschicht ein E-Modul von 100 bis 700 GPa auf.
Ferner wird ein Gebläse, insbesondere ein Brennstoffzellengebläse, zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners in eine Brennstoffzelle mit einer wassergeschmierten Wellenanordnung vorgeschlagen, wobei die Wellenanordnung gemäß der Beschreibung ausgebildet ist.
Des Weiteren kann das Gebläse als Hochdruck-Radialgebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners in eine Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt.
Die Figur zeigt in lediglich schematischer Darstellung eine Wellenanordnung 10 für ein Gebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners, wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, in eine Brennstoffzelle, mit einer drehbar gelagerten Gebläsewelle 11 und zwei Lageranordnungen 12, 22 zur drehbaren Lagerung der Gebläsewelle 11, wobei die beiden Lageranordnungen 12, 22 jeweils eine Wasserschmierung umfassen. Die Wasserschmierung ist in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Auf der Gebläsewelle 11 ist ein Verdichterlaufrad 15 zum Verdichten eines angesaugten Gasstroms angeordnet.
Die beiden Lageranordnungen 12, 22 sind jeweils als Radiallageranordnung mit einem Radiallager ausgeführt. Lediglich beispielsweise ist die erste Lageranordnung 12 als Gleitlager zur gleitgelagerten Lagerung der Gebläsewelle 11 ausgebildet. Ein erstes Lagerelement 13 der Lageranordnung 12 weist eine einem zweiten Lagerelement 14 zugewandte Oberfläche auf, die als erste Gleitfläche 13a ausgestaltet ist und hierzu eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung aufweist. Ein der Gebläsewelle 11 drehfest zugeordnetes zweites Lagerelement 14 der Lageranordnung 12 weist eine dem ersten Lagerelement 13 zugewandte Oberfläche auf, die als zweite Gleitfläche 14a ausgestaltet ist und hierzu ebenfalls eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung aufweist. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, lediglich eine der beiden Gleitflächen 13a, 14a mit der amorphen Kohlenstoffschicht zu beschichten. Zwischen beiden Gleitflächen bildet sich bei Drehung der Gebläsewelle 11 ein Film der Wasserschmierung aus.
Insbesondere ist die amorphe Kohlenstoffschicht eine Diamond-like-Carbon-Beschichtung (DLC-Beschichtung).
Wie in der Figur gezeigt, kann das zweite Lagerelement 14, insbesondere dessen zweite Gleitfläche 14a mit der Gebläsewelle 11, vorzugsweise einstückig, ausgebildet sein. Beispielsweise ist hierzu die Gebläsewelle 11 mit in dem entsprechenden Abschnitt mit der amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet. Die Gebläsewelle stellt hierbei selbst das zweite Lagerelement 14 dar.
Die dargestellte zweite Lageranordnung 22 ist als Wälzlager mit den folgenden Lagerelementen dargestellt: einem Außenring 24 und einem relativ zu dem Außenring 24 drehbaren Innenring 23 sowie einer zwischen dem Innenring 23 und dem Außenring 24 angeordneten Anzahl an Wälzkörpern 25. Erfindungsgemäß ist mindestens eines der Lagerelemente 23, 24, 25 mit der amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet. Es ist also möglich, beispielsweise den Außenring 24 oder den Innenring 23 entsprechend zu beschichten. Hierbei wird die jeweils den Wälzkörpern 25 zugewandte und in Kontakt befindliche Oberfläche bzw. Lauffläche beschichtet. Selbstverständlich können sowohl der Außenring 24 als auch der Innenring 23 entsprechend beschichtet sein. Zusätzlich oder alternativ zu den genannten Fällen können einer oder mehrere der Wälzkörper 25 mit der amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet sein.
Auch für die zweite Lageranordnung 22 ist eine Wasserschmierung vorgesehen und zum Zwecke einer übersichtlicheren Darstellung nicht dargestellt.
Es versteht sich, dass die Gebläsewelle 11 nicht nur mit der lediglich beispielhaft dargestellten Kombination von zwei Lageranordnungen 12, 22 lagerbar ist, die als Gleit- bzw. als Wälzlager ausgeführt sind. Vielmehr kann die Gebläsewelle ebenso lediglich mit einer oder einer Mehrzahl von Gleit- und/oder Wälzlagern in beliebiger Kombination gelagert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1321680 A2 [0008]

Claims

Wellenanordnung für ein Gebläse, insbesondere für ein Brennstoffzellengebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners, mit – einer drehbar gelagerten Gebläsewelle (11) und – mindestens einer Lageranordnung (12, 22) zur drehbaren Lagerung der Gebläsewelle (11), wobei die mindestens eine Lageranordnung (12, 22) eine Wasserschmierung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lagerelement (13, 14, 23, 24, 25) der Lageranordnung (12, 22) zumindest abschnittsweise mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung beschichtet ist.
Wellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht eine Diamond-like-Carbon-Beschichtung ist.
Wellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lageranordnung (12, 22) eine Radiallageranordnung ist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (12, 22) ein Gleitlager (12) zur gleitgelagerten Lagerung der Gebläsewelle (11) umfasst, wobei ein erstes Lagerelement (13) eine erste Gleitfläche (13a) des Gleitlagers (12) und ein zweites Lagerelement (22) eine der Gebläsewelle (11) drehfest zugeordnete zweite Gleitfläche (14a) der Lageranordnung (12) bildet.
Wellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gleitfläche (14a) einstückig mit der Gebläsewelle (11) ausgebildet ist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (12, 22) ein Wälzlager (22) mit den folgenden Lagerelementen umfasst: einem Außenring (24) und einem relativ zu dem Außenring (24) drehbaren Innenring (23) sowie einer zwischen dem Innenring (23) und dem Außenring (24) angeordneten Anzahl an Wälzkörpern (25).
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht eine Härte von 1000 bis 7000 HV (Vickers Härte) aufweist.
Wellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht ein E-Modul von 100 bis 700 GPa aufweist.
Gebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners in eine Brennstoffzelle mit einer wassergeschmierten Wellenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Gebläse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse als Hochdruck-Radialgebläse zum Zuführen eines gasförmigen Reaktionspartners in eine Brennstoffzelle ausgebildet ist.